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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 welchem sie arbeiten, vorwiegend in einer Richtung beaufschlagt werden, die senkrecht zur Radaehse verläuft. Solehe Schaufelräder können als Antriebsmittel für Wasseroder Luftfahrzeuge, als Wasser-oder Windkraftmasehinen, Pumpen, Ventilatoren, Gebläse od. dgl. verwendet werden.
Zur Erläuterung des Wesens der Erfindung soll vor allem an dem in Fig. 1 im Aufriss und in Fig. 2 im Grundriss dargestellten Ausführungsbeispiel die Art der Schaufelräder gezeigt werden, auf die sich die Erfindung bezieht.
Die Hauptwelle 1 trägt den Radkörper 2, in welchem die Schaufeln 3 um Achsen 4 drehbar gelagert sind. Das Rad als Ganzes rotiert um die Achse 1 im Sinne des Pfeiles u und vollführt gleichzeitig eine Translationsbewegung relativ zu dem die Schaufeln umgebenden Medium (z. B. Wasser), so dass dieses
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Schaufeln 3 bei dieser Ausführungsform um ihre Achsen 4 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 durchlaufenden Kreises liegt. Der Antrieb der
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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 bzw. der hinteren Radhälfte auf zwei verschiedenen Seiten der Schaufelsehne liegt und dass die Relativbewegung der Teilehen des Mediums gegen die ruhend gedachte Schaufel nicht geradlinig, sondern in krummen Bahnen erfolgt.
Aus diesen Gründen muss die Form der Schaufel und namentlich die Krümmung ihrer Mittelfläche dem Bewegungsgesetz sorgfältig angepasst werden, wenn der bei solehen Schaufelrädern mögliche, sehr hohe Wirkungsgrad auch tatsächlich erreicht werden soll. Wegen der Rückenbeaufschlagung der Schaufeln in der hinteren Radhälfte (siehe die Verschiedenheit der Beaufschlagung in den Sehaufelstellungen I und 11 in Fig. 6. auf welche später genauer eingegangen wird), bedingen schon verhältnismässig geringe Formfehler eine ungleichmässige Verteilung der hydraulischen Belastung der beiden Radhälften und dadurch empfindliche Einbussen an Wirkungsgrad.
Die vorliegende Erfindung besteht nun darin, dass die Krümmung der Mittelfläche der Schaufel in einem solchen Masse bestimmt wird, dass, wie theoretische Erwägungen erkennen lassen und versuchsmässige Narhprüfungen bestätigen, die Erzielung eines sehr hohen Wirkungsgrades ermöglicht wird.
Dabei 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 zurückfahren lässt. Die Erkenntnis, dass das Medium der Schaufel in krummen
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Für den dargestellten Kurvenseheibenantrieb ergibt sich gemäss Fig. 3 das Momentanzentrum MI als Schnittpunkt des durch die Drehachse der Schaufel gezogenen Durchmessers PO mit der Normalen Q-M1 auf der Kurvenbahn 5 in dem augenblicklichen Berührungspunkt der Rolle. Um aber die vollständige Relativbewegung der Schaufel gegen das Medium zu finden, ist die Drehung um das Momentanzentrum MI noch mit der Translationsgeschwindigkeit t'zusammenzusetzen, die in einiger Entfernung vor der Schaufel
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bedeutet.
Die Relativbewegung des Mediums gegen die Schaufel erfolgt so, als ob die ruhend gedachte Schaufel von einer Strömung beaufschlagt werden würde, die um den Strömungspol M2 bogenförmig im Sinne der Pfeile 10 verläuft. Die in Fig. 3 strichpunktiert gezeichnete Strecke r gibt daher ein zahlenmässig genau bestimmbares Mass der Krümmung der Relativströmung an, der die Schaufelform anzupassen ist.
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Die Krümmung der Relativströmung und die ihr angepasste Krümmung der Schaufeln wird daher bei einem und demselben Rad verschieden sein, je 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 verschiedenen Punkten des Laufkreises ABCD (Fig. 2) verschieden. Als massgebend für die Wahl der richtigen Sehaufelform erweist sich aber in erster Linie die Krümmung f bzw. der Relativströmung in den beiden Punkten dz 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 Mittel der beiden Strömung- krümmungen in A und in 0 liegen ; mit andern Worten : der Radius R der Mittelschnittfläche (Fig. 4) der Schaufel soll kleiner sein als die halbe Summe r1 und r2 (Fig. 7) und grösser als die Quadratwurzel aus dem Produkt von r1 und fa.
Die Fig. 5, 6 und 7 zeigen die Strömungs-und Kraftpläne bei etwa für den Schiffsantrieb dienenden Schaufelrädern, bei denen beispielsweise das Bewegungsgesetz der Schaufeln ein derartiges ist, dass die Radiusvektoren, die senkrecht auf der Schaufelfläche stehen und von dem Drehpunkt der Schaufeln ausgehen, alle 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- bzw. 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 Krümmungsradius 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
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sprechend der Erfindung bemessen ist. Alle andern Abmessungen und auch die Betriebsverhältnisse sind bei allen drei Rädern ganz gleich angenommen.
Die Scharen der Pfeile w stellen die um die Strömungspole M (diese sind der Einfachheit halber nur in Fig. 7 eingezeichnet) gekrümmte relative Anströmung der Schaufeln dar, während die Pfeile It die 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.
Fig. 5 zeigt, dass bei geraden oder zu wenig gekrümmten Schaufeln der Hauptanteil des hydrau- lischen 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, dass bei zu starker Krümmung der Schaufeln die vordere Radhälfte den Hauptanteil des hydraulischen Sehubes übernimmt, während die
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bunden sind.
Die obigen, aus theoretischen Erwägungen gezogenen Folgerungen haben durch versuchsmässige Nachprüfung ihre volle Bestätigung gefunden.
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 Kraftwirkung kommt.
Bei einem Schaufelrad, bei welchem die Krümmung der Mittelfläehe der Schaufeln im Sinne der Erfindung bemessen ist, fallen, wie Fig. 7 zeigt, diese Nachteile weg, indem sich die hydraulische Belastung
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Als Beispiel für die Bemessung der Schaufelkrümmung sei ein Schaufelrad angeführt, welches in einem geschlossenen Kanal von rechteckigem Querschnitt als Förderpumpe arbeitet. Es sei dabei angenommen, dass der Durchmesser des Sehauf elkreises 3 ? betrage und dass das Rad bei 125 Umdrehungen in der Minute eine Wassermenge fördern bols, dise im Radquerschnitt eine Translationsgeschwindigkeit v von 2'50 m/sec bedingt. Das Bewegungsgesetz der Schaufeln sei wie das schon oben erwähnte derart, dass die auf den Sehaufelflächen 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
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Radius r2 = 1 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 1'55 m.
Die Mittellinie der Schaufel muss nicht stets ein Kreisbogen sein, sondern kann je nach der'Art des angewendeten Profiles auch eine andere Kurve bilden, die einem Kreisbogen ähnlich ist. Als Schaufelkrümmung wird dabei im Sinne der Fig. 4 stets der Halbmesser R jenes Kreises verstanden, der durch die Eintrittskante, die Austrittskante und die Mitte der Schaufeldicke in der Mitte der Längenausdehnung T des Profiles (Punkt S) 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 Sehaufeldieke halbiert.
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 Grenseii liegen :
Das Bewegungsgesetz der Schaufeln kann verschieden sein ; die Schaufeln können relativ zum Rad schwingen oder mit ungleichförmiger Winkelgeschwindigkeit umlaufen. Massgebend für das Bewegungs-
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''silt und als Eintrittskante wirkt.