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Patentiert im Deutschen Reiche vom B. November 1922 ab. Die
Erfindung betrifft Schaufelräder für Wasser oder Luft, die als Kraft verarbeitende
oder als Kraft erzeugende Propeller wirken können, mit beweglichen Schaufeln, die
sich bei jeder vollen Raddrehung um einen Winkel von i8o° um zur Radachse parallele
Achsen drehen, und die während ihrer gesamten Umlaufbewegung vollkommen in der Luft
oder Flüssigkeit eingetaucht sind und von dieser beaufschlagt werden. Die
Erfindung
besteht darin, daß das Verhältnis der bei radial stehender Schaufel in radialer
Richtung gemessenen Schaufelbreite zum Raddurchmesser nicht größer als i : 5 ist,
wodurch erreicht wird, daß die Schaufel während ihrer ganzen Umlaufbewegung nur
auf einer Seite beaufschlagt wird. Die Schaufeln sind gemäß der Erfindung so geformt,
daß ihr Querschnitt senkrecht zur Drehachse durch zwei Linien begrenzt wird, die
von entgegengesetzten Enden mit abnehmender Krümmung verlaufen. Durch Innehaltung
dieser bestimmten Schaufelbreite und die bestimmte Wölbung der Schaufeln wird !ein
Wirkungsgrad erzielt, der die bisher erreichten Wirkungsgrade ähnlicher Schaufelräder
weit übertrifft.
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Die Zeichnungen zeigen im wesentlichen Diagramme, aus denen sich die
Form und Abmessung der Schaufeln ergibt. Abb. i zeigt die Geschwindigkeitsdiagramme
der Schaufeln gegenüber dem sie einschließenden Mittel unter der Annahme, daß die
Umfangsgeschwindigkeit des Schaufelrades gleich der fortschreitenden Geschwindigkeit
desselben ist. Abb. 2 zeigt ein ähnliches Diagramm, in dem die Umfangsgeschwindigkeit
des Rades um ;o Prozent größer ist als die fortschreitende Geschwindigkeit des Rades.
Abb.3 zeigt ein Diagramm, bei dem die Umfangsgeschwindigkeit des Rades kleiner ist
als die fortschreitende Geschwindigkeit. Abb. 4. und 5 zeigen ein Geschwindigkeitsdiagramm
unter Berücksichtigung der räumlichen Abmessung der Schaufeln und deren Eigendrehung.
Abb.6 zeigt das Schaufelprofil. Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme
auf ein Schaufelrad für Luft- oder ZVasserfahrzeuge beschrieben. Das Schaufelrad
ist mit- sämtlichen Schaufeln vollständig in der Luft oder im Wasser eingetaucht,
so daß sämtliche Schaufeln ständig von Luft oder Wasser beaufschlagt werden.
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Auf einer Achse 30 ist ein nicht dargestellter zylindrischer
Rahmen angeordnet, auf dem eine Reihe von Schaufeln um Achsen 1 bis XVI drehbar
sind, die parallel zur Achse ;o liegen. Die Eigendrehung der Schaufeln ist derart,
daß sie sich bei jeder vollen Umdrehung des Rades um die Achse 3o um 180,--, um
ihre eigenen Achsen drehen. Die Geschwindigkeit VR der Schaufeln gegenüber dem sie
umgebenden Mittel ergibt sich aus der Umlaufgeschwindigkeit V P der Schaufeln und
der Geschwindigkeit VT der fortschreitenden Bewegung des Rades. In Abb. r
ist angenommen, daß die Umlaufgeschwindigkeit V h und die fortschreitende Geschwindigkeit
VT gleich sind. Wenn nun die Schaufeln in bekannter Weise die halbe Drehzahl besitzen
wie das Rad, so liegen die Schaufeln immer in der Richtung der Relativgeschwindigkeit
Vj, In diesem Falle bewegen sich die Schaufeln so, daß zwischen ihnen und dem sie
umgebenden Mittel keine Kraftwirkung ausgeübt wird. Hierbei schneiden sich die Verlängerungen
der Schaufeln sämtlich in dem Drehungspunkt der Schaufel I.
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Damit das Schaufelrad Arbeit leisten kann, muß seine Umlaufgeschwindigkeit
größer werden als seine fortschreitende Bewegung. In Abb.2 ist angenommen, daß die
Umlaufgeschwindigkeit VP um 5o Prozent größer ist als die fortschreitende Geschwindigkeit
VT.
Man erhält dann Relativgeschwindigkeiten VR, die nach Größe und Richtung
verschieden von den Werten der Abb. i sind. Im Punkte I ist die Relativgeschwindigkeit
TR gleich der Summe aus der Umlaufgeschwindigkeit und der .Geschwindigkeit aus der
fortschreitenden Bewegung. Ihre Richtung fällt mit der Richtung der fortschreitenden
Bewegung zusammen. In den folgenden Stellungen II bis VIII, also auf der linken
Seite der Symmetrieebene 39-;o, treffen die Schaufeln unter einem gewissen Einfallwinkel
a auf das sie umgebende Mittel. Vermöge dieses Einfallwinkels werden auf die verschiedenen
Schaufeln Kräfte ausgeübt, die jeweilig nahezu senkrecht zu den einzelnen Schaufeln
stehen und im vorliegenden Falle das Rad in der unter Abb. 2 durch einen Pfeil angedeuteten
Richtung zu bewegen suchen. Die Größe des Einfallwinkels u hängt von dem Unterschied
zwischen der Umlaufgeschwindigkeit des Rades und der Geschwindigkeit der fortschreitenden
Bewegung ab. Indessen ist der Einfluß dieses Unterschiedes auf die Größe des Winkels
a sehr klein, so daß ein sehr weiter Spielraum in diesem Unterschied zulässig ist,
ohne daß der Einfallwinkel so groß würde, daß der Wirkungsgrad der Einrichtung zu
ungünstig würde. Wie sich aus Abb. z ergibt, ist der Einfallwinkel reichlich in
der oberen Hälfte des Rades (nämlich in Stellung I bis V I und II bis KVI) so klein,
daß ein guter Wirkungsgrad in der Kraftübertragung gewährleistet ist. Mit Rücksicht
auf diesen Wirkungsgrad darf der Einfallwinkel nicht größer als 18' sein. Der günstigste
"Virkungsgrad liegt etwa bei 5 bis In den Stellungen I bis VII und XII bis KVI ist
der Einfallwinkel nicht g röl,')er als 18". In dem Bereich der Stellungen VII bis
KI ist der Winkel jedoch größer als i 8r, und zwar erreicht er in der Stellung IN
den größten Wert, nämlich 9o' . Indessen ist in diesem Bereich die Geschwindigkeit
Vjr verhältnismäßig klein, so daß die ungiinstige Richtung der Geschwindigkeit VR
keinen wesentlichen Einfluß auf den Wirkungsgrad ausübt. Im übrigen liegen die Verhältnisse
tatsächlich güstiger, als in der Abbildung dargestellt ist, da sich die Geschwindigkeit
der
fortschreitenden Bewegung derjenigen der umlaufenden Bewegung nähert. Zu beachten
ist, daß auf der linken Seite der Symmetrieebene 39-4o der Einfallwinkel auf der
unteren Seite der Schaufel liegt, so daß sämtliche Schaufeln Arbeit leisten. Auf
der rechten Seite der Symmetrieebene liegt der Einfallwinkel gleichfalls rechts
von den Schaufeln, so daß auch die nach oben bewegten Schaufeln Arbeit leisten.
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In Abb.3 ist dargestellt, wie sich die Geschwindigkeitsverhältnisse
.ändern, wenn die Geschwindigkeit der fortschreitenden Bewegung VT größer
ist als diejenige der umlaufenden Bewegung Vn, wenn mit anderen Worten das strömende
Mittel Kraft auf das Schaufelrad überträgt. In diesem Falle liegt der Einfallwinkel
u bei allen Schaufeln auf der linken Seite, so daß alle Schaufeln Kraft auf die
Welle 30 übertragen. Der Einfallwinkel ist günstig in den Stellungen I bis
VII und 1I bis I, weniger günstig in den Stellungen zwischen VII und XI.
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Bisher ist die bei radial stehender Schaufel in radialer Richtung
gemessene Breite der Schaufeln. unberücksichtigt geblieben. Abb.4 und 5 zeigen die
Geschwindigkeitsverhältnisse unter Berücksichtigung der räumlichen Abmessung der
Schaufeln. Für die Achsen P,. der Schaufeln gelten die gleichen Bewegungsgesetze
wie vorher. Man erhält die Relativgeschwindigkeiten 1r"', die unter dem Winkel a,
zu den Linien P'-P..-P" stehen, welche in den Abbildungen die Sehnen der Schaufeln
darstellen. Der äußere Punkt P' dieser Sehne vollführt nun außer der Umlaufbewegung
um die Achse 30 und der fortschreitenden Bewegung des Rades noch eine Umlaufbewegung
um die Achse P, In Abb.4 sind zuiiä.chst für den Punkt P' die Geschwindigkeiten
Vp' und VT zusammengesetzt. Die Geschwindigkeit V,,' ist im Verhältnis der
Abstände der Punkte P' und P, von der Achse 30 größer als die Geschwindigkeit Vp.
Man erhält die Geschwindigkeit V,.. Zu dieser kommt noch als Komponente die Geschwindigkeit
V5, die sich aus der Eigendrehung der Schaufel ergibt. So erhält man die wirkliche
Relativgeschwindigkeit V" des Punktes P' gegenüber dem das Rad umgebenden Mittel.
In derselben Weise ist die Relativgeschwindigkeit V"" für den Punkt P" ermittelt.
Beachtenswert ist, daß der Winkel a zwischen der resultierenden V«" und der Sehne
P'-P" nicht mehr auf derselben Seite liegt wie der Winkel cc, der für die Punkte
P,. und P' gilt. Daraus ergibt sich, daß bei Gestaltung der Schaufel nach der Linie
P'-P,.-P" der Druck des Mittels am Punkte P" der Fortbewegung des Rades entgegenwirkt.
Eine solche gerade Schaufel muß mithin einen schlechten Wirkungsgrad besitzen. Um
den Wirkungsgrad zu verbessern, muß die Schaufel derart gestaltet werden, daß der
Einfallwinkel an jeder Stelle der Schaufel auf der rechten Seite liegt. Dies wird
dadurch erreicht, daß die Schaufel in der in Abb. 4 gezeigten Weise gewölbt wird.
Maßgebend für die Stärke der Wölbung ist die Bedingung, daß der Einfallwinkel an
allen Punkten der Schaufel nahezu gleich ist. Wenn nämlich die Luft an verschiedenen.
Stellen unter verschiedenem Winkel auf die Schaufel trifft, so ist ein ruhiges Abfließen
der Luft nicht möglich. Vielmehr entstehen Wirbel, die den Wirkungsgrad herabsetzen.
Unter Berücksichtigung dieser Grundsätze erhält man eine Schaufel, die den größten
erreichbaren Wirkungsgrad besitzt. Indessen gelten diese Abmessungen nur für eine
bestimmte Stellung der Schaufel, in dem angenommenen Beispiel für die Stellung III.
Die Anwendung der gleichen Überlegungen auf die Stellungen II und IV ergibt die
in Abb. 4 gezeichnete abweichende Schaufelform.
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Außerdem ist die gezeichnete Schaufelform deswegen nicht brauchbar,
weil die Wölbung in den auf der rechten Seite der Symmetrieebene liegenden Schaufeln
auf der entgegengesetzten Seite der Sehne P'-P" liegen muß, wie sich aus Abb. 5
ergibt. - Da ferner die Schaufeln sich bei jeder Drehung des Rades nur um t äo'
drehen, muß auch in den Stellungen der Abb. 4 auf der der gezeichneten Schaufel
gegenüberliegenden Seite der Sehne eine entsprechende Wölbung vorhanden sein. Während
die stärkere Krümmung der gezeichneten Schaufel auf der Innenseite liegen muß, muß
diese stärkere Wölbung auf der Unterseite der Sehne auf der Außenseite liegen. Wenn
eine solche Schaufel aufgezeichnet wird, so erhält man unter den gezeichneten Verhältnissen,
die üblichen Schaufelabmessungen entsprechen, außerordentlich dicke Schaufeln, die
der Luft einen sehr großen Widerstand :entgegensetzen und daher den Wirkungsgrad
des Schaufelrades wesentlich herabsetzen. Um daher eine Schaufel von gutem Wirkungsgrade
zu schaffen, muß man das richtige Mittel zwischen der hier abgeleiteten Schaufelform
und der in Abb. r bis 4 gezeichneten geraden Schaufelform suchen. Hierbei tritt
der eingangs gezeichnete Mi.ßstand auf, daß die Luft die Schaufel an einzelnen Stellen
auf der Rückseite der Schaufel beaufschlagt und bremsend wirkt. Dieser 141i13stand
läßt sich dadurch beheben, daß man die Breite der Schaufel in radialer Richtung
so weit vermindert, daß die Beaufschlagung lediglich auf einer Seite stattfindet.
Denn da bei allen Schaufeln die -Beaufschlaguni ini Punkte P,- auf der richtigen
Seite
erfolgt, muß rann bei allmählicher Verkürzung der Schaufeln
in radialer Richtung schließlich einen Punkt erhalten, von dem an die Beaufschlagung
ausschließlich auf der wirksamen Schaufelseite erfolgt. Wenn man diesen Punkt auf
beiden Seiten der Punkte P, als Grenzwert annimmt, so erhält man eine Schaufelbreite
in radialer Richtung gemessen, die etwa im Verhältnis von i : 5 zum Raddurchmesser
steht. Eine solche verkürzte Schaufel ist in Abb. 5 an der Stelle 6 eingezeichnet.
Aus dieser Verkürzung der Schaufel ergibt sich nun ferner, daß die Dicke der Schaufel,
d. h. der größte Abstand der gewölbten Schaufel von der Sehne P'-P", ganz bedeutend
vermindert ist, und zwar beträgt dieses Maß nur etwa ein Viertel des Maßes der großen
Schaufel. Wenn man aus dem so gewonnenen Schaufelprofil eine Schaufel zusammensetzt,
die auf beiden Seiten gewölbt ist, so erhält man eine Schaufel, deren Dicke nicht
größer ist, als ohnehin aus baulichen Gründen erforderlich ist, und die immer auf
der richtigen Seite beaufschlagt wird (Abb. 6). Eine solche Schaufel wird mithin
auf ihrer ganzen Fläche nahezu unter dem günstigsten Winkel von der Luft beaufschlagt
und ergibt demnach den denkbar günstigsten Wirkungsgrad. In der Verkleinerung der
Schaufelbreite wird man nicht weiter gehen, als im Hinblick auf die günstige Beaufschlagung
der Schaufeln erforderlich ist. Denn bei Wahl kleinerer Schaufeln muß deren Zahl
vergrößert werden. Dadurch .erhöhen sich die Reibungswiderstände. Außerdem wird
der Durchgangsquerschnitt für die Luft oder das Wasser durch das Rad hindurch zu
sehr verkleinert, so daß sich infolge Stauung Verluste ergeben. Die untere Grenze
für die Verringerung der Schaufelbreite ergibt etwa ein Verhältnis von i : 2o für
Schaufelbreite und Raddurchmesser.
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Versuche mit einem nach den vorstehenden Grundsätzen gebauten Wasserrade
haben gezeigt, daß der Wirkungsgrad bis auf nahezu 99 Prozent steigt. Dieser hohe
Wirkungsgrad wird erreicht, wenn die Umlaufgeschwindigkeit des Rades und dessen
fortschreitende Bewegung nahezu gleich sind. Er fällt ab, wenn die beiden Geschwindigkeiten
verschieden sind. Bei einem Verhältnis der Geschwindigkeit der fortschreitenden
Bewegung zur Umlaufgeschwindigkeit von 8o Prozent, das Betriebsverhältnissen entspricht,
erhält man einen Wirkungsgrad von 8o Prozent.
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Wenn man bedenkt, daß man sich bei einem Schraubenpropeller mit einem
Wirkungsgrad von 5o bis 6o Prozent begnügt und daß Räder der im vorstehenden beschricben:en
Art bisher wegen ihres schlechten Wirkungsgrades überhaupt noch keine praktische
Bedeutung erlangt haben, so ist einleichtend, daß durch die neue Gestaltung und
Abmessung der Schaufeln ein außerordentliUh großer technischer Fortschritt erzielt
wird. Die vorstehenden Wirkungsgrade sind auf einem Prüfstand ermittelt worden.
Die Richtigkeit der Messungen ist durch Einbau eines Propellers in einem Motorboot
sowohl wie in einem Flugzeug erwiesen. Schaufelräder, die die im vorstehenden gekennzeichneten
Bewegungen ausführen, sind bekannt. Indessen ist bei diesen Schaufelrädern das Verhältnis
zwischen radialer Schaufelbreite und Raddurchmesser größer als i : 5, so daß die
Schaufeln an einzelnen Stellen auf der Rückseite beaufschlagt werden. Auch hat man
solche Schaufelräder, bei denen das Rad nur mit seinem unteren Teil in Wasser taucht
(von unten beaufschlagte Wasserräder) bereits mit Schaufeln ausgestattet, deren
radiale Breite zum Raddurchmesser im Verhältnis i : 5 oder weniger steht. Indessen
treten bei solchen Rädern auch bei größerer Abmessung der Schaufeln nicht die eingangs
gekennzeichneten Mängel auf.