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Schaufelrad. Es gibt bereits verschiedene Konstruktionen von Schaufelrädern
mit drehbaren Schaufeln, die als Propeller wirken und durch einen Führungsmechanismus
zwangläufig nach einem bestimmten Gesetz gedreht werden, damit eine bestimmte Vortriebsrichtung
erhalten werde. Bei den meisten dieser bekannten Schaufelräder werden die Schaufeln
aber nicht an allen Stellen in einer vom aero- oder hydrodynamischen Standpunkte
aus richtigen Weise beaufschlagt, und es ist auch keine Möglichkeit gegeben, die
Vortriebsrichtung und Steigung zu ändern, abgesehen davon, daß die Räder nur für
niedrige Drehzahlen geeignet sind. Die bekannte Propellerkonstruktion von K i r
s t e n -B o e i n g läßt wohl eine Änderung der Vortriebsrichtung zu, die Steigung
ist aber nicht veränderlich. Die Schaufeln machen bei jeder Umdrehung des Rades
eine halbe Umdrehung um ihre eigene Achse, so daß Ein- und Austrittskanten der Schaufeln
nach jeder Umdrehung wechseln, wodurch eine Schaufelform erforderlich wird, die
den aero- und hydrodynamischen Anforderungen niemals vollkommen entsprechen kann.
Beim Übergang von Vorwärts- auf R%ickwärtsfahrt muß bei diesem Propeller, ebenso
wie bei ähnlichen schon vorher bekannten, ein seitlicher Stoß auftreten. Es ist
auch bekannt, die Trag- oder Schaufelflächen so zu drehen, daß der ungefähr 9o°
betragende Winkel zwischen jeder Fläche mit einem Radiusvektor stets gleich bleibt,
wobei dieser von dem Drehpunkt der Fläche aus durch einen Punkt hindurchgeht, der
in der Ebene- des Kreises der Drehpunktbewegung, aber außerhalb dieses Kreises liegt.
Daß der Leitpunkt der Radiusvektoren außerhalb des Kreises liegt, auf dem sich die
Schaufeldrehpunkte bewegen, hat den Nachteil, daß so weitgehende Regelungen, wie
sie später beschrieben werden sollen, nicht möglich sind. Überdies sind derartige
Konstruktionen auch nicht für raschlaufende Propeller geeignet.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist nun ein Schaufelrad mit
drehbaren Schaufeln, bei dem gleichfalls der vorzugsweise 9o° betragende Winkel
zwischen jeder Schaufel und einem von ihrem Drehpunkt zu einem bestimmten Punkt
gehenden Radiusvektor stets gleich bleibt, derart, daß die Radiusvektoren aller
Schaufeln und aller Schaufellagen während der Drehung des Schaufelrades sich stets
in einem Punkt oder annähernd in einem Punkt schneiden; dieser Punkt oder die Stelle,
an der sich die Radiusvektoren annähernd schneiden, liegt aber im Sinne der Erfindung
innerhalb des Kreises der Drehpunktbewegung,
und damit wird das
Schaufelrad vor allem für sehr hohe Drehzahlen und überdies für eine Regelung in
vielfacher Beziehung geeignet.
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Der Führungsmechanismus kann nämlich so ausgebildet werden, daß dieser
Leitpunkt im Kreise um die Drehachsen des Laufrades verstellt werden kann. Er kann
aber ferner auch so ausgebildet werden, daß der Leitpunkt innerhalb des Kreises-nach
allen Richtungen in radialer Richtung verstellt werden kann. Sind beide Verstellungsmöglichkeiten
gleichzeitig vorhanden, so können auch kombinierte Verstellungen ausgeführt werden.
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Nähere Erläuterungen des Wesens der Erfindung sollen an Hand des in
der Zeichnung dargestellten Schemas gegeben werden.
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Der Kreis K zeigt den Weg an, auf dem sich infolge des Antriebes des
Schaufelrades die Drehpunkte P der Schaufeln M um die Achse 0 herumbewegen, und
zwar, wie angenommen werden mag, im Sinne des auf dem Kreis K angegebenen Pfeiles.
Wie nun aus der Zeichnung zu ersehen ist, schneiden die von den Drehpunkten P ausgehenden,
auf der jeweiligen Stellung der Schaufeln senkrechten oder nahezu senkrechten Radiusvektoren
S einander in dem Punkt N, der innerhalb des Kreises K gelegen ist (praktisch würde
es auch genügen, wenn die Radiusvektoren sich nur annähernd in einem Punkte schneiden
würden). Die Schaufeln M sind also derart geführt, daß sie, während ihre Drehpunkte
sich auf dem Kreise K bewegen, so gedreht werden, daß die von ihren Drehpunkten
ausgehenden und auf ihnen senkrecht stehenden Radiusvektoren durch den innerhalb
des Kreises K liegenden Punkt N hindurchgehen, gleichsam, als ob die Schaufeln 111
mit in der Richtung der genannten Radiusvektoren S verlaufenden Stangen starr verbunden
wären, die durch eine im Punkt N angeordnete drehbare Gleitführung hindurchgehen.
Tatsächlich könnte man ja auch den Führungsmechanismus baulich in der hier angedeuteten
Weise ausbilden; es ist aber klar, daß die geschilderte Lenkung der Schaufeln M
auch in anderer Weise kinematisch ausgeführt werden kann.
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Wie aus der Zeichnung zu ersehen ist, werden die Schaufeln an beiden
Enden des Durchmessers, auf dem der Leitpunkt N liegt, den Kreis K tangieren; in
den Zwischenlagen schneiden die Schaufeln den Kreis K unter verschiedenen Winkeln,
wobei aber immer die eine Kante E der Schaufeln im Sinne der Bewegung vorn und die
andere A hinten bleibt. Das das Schaufelrad umgebende Medium wird also stets bei
der Kante E mit den Schaufeln in Eingriff kommen und sie bei der Kante A verlassen,
wodurch man in der Lage ist, dem Schaufelprofil eine dynamisch günstige Form zu
geben.
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Wird nun ein solches Schaufelrad in einem Medium in Umdrehung versetzt,
so erzeugt es eine Strömung in der Richtung v, und das bei der linken unteren Schaufel
M in strichpunktierten Linien gezeigte Geschwindigkeitsdreieck, zusammengesetzt
aus der Drehgeschwindigkeit ü des Rades, die senkrecht verläuft zum Radius r, der
Relativgeschwindigkeit w, die senkrecht verläuft zum Radiusvektor S und der
Strömungsgeschwindigkeit v
bei Leerlauf, läßt erkennen, daß die geschilderte
Lenkung der Schaufeln an allen Stellen eine stoßfreie Beaufschlagung gewährleistet.
Das Schaufelrad arbeitet dann so, wie etwa ein Schraubenpropeller bekannter Bauart
mit jener Leerlaufgeschwindigkeit, die der Ganghöhe und Drehzahl der Schraube entspricht.
Selbstverständlich ist man aber in der Lage, auch bei verschiedenen Belastungen
durch entsprechende Wahl der Schaufelstellungen und -größe, eine stoßfreie Beaufschlagung
zu sichern.
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Ist der Führungsmechanismus für die Schaufeln so eingerichtet, daß
der Punkt N unter Beibehaltung seines Abstandes a von der Drehachse 0 um einen Winkel
#p geschwenkt wird, so daß er also die Stelle N0 erreicht, so wird vor allem jede
Schaufel M an ihrem augenblicklichen Ort nach Mv verschwenkt, und dann werden die
Schaufeln im weiteren Verlauf der Drehung des Schaufelrades an den verschiedenen
Punkten des Kreises infolge der Richtungen der Radiusvektoren So Stellungen einnehmen,
die sich ergeben, wenn man die ganze Zeichnungsfigur im gleichen Sinne um den Winkel
(p verschwenkt hätte wie den Punkt N. Die Schaufeln werden also jetzt wieder in
jenen beiden Punkten, die an den Enden des durch den Punkt No bestimmten .Durchmessers
liegen, den Kreis K tangieren und in den Zwischenpunkten die gleiche Zwischenstellung
einnehmen wie zuvor, nur daß diese Zwischenstellungen auch um den Mittelpunkt 0,
im gleichen Winkel versetzt, angenommen werden müssen. Daraus ergibt sich, daß auch
die Strömungsrichtung v um den Winkel nach vx geschwenkt wird und damit auch die
der Strömung entgegengesetzte Vortriebsrichtung. Durch Drehen des Punktes N um die
Achse 0 kann also die Vortriebsrichtung in jedem beliebigen Winkel geändert werden.
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Der Füllungsmechanismus kann aber auch so ausgebildet werden, daß
der Punkt N in beliebiger radialer Richtung innerhalb des Kreises K verstellt werden
kann, so daß er zunächst bis zur Achse und dann darüber hinaus bis in die Stellung
N1 gelangt. Befindet
sich der Leitpunkt N in der Achse 0, so tangieren
alle Schaufeln den Kreis k während der ganzen Drehbewegung und, da die Schnelläufigkeit
der Entfernung des Punktes N vom Kreismittelpunkt
0 umgekehrt proportional ist, indem
ist, so v,ird, wenn a- 0 geworden ist, die Schnellläufigkeit ox) v. Es wird sich
also durch Veränderung des Abstandes a die Strömungsgeschwindigkeit ändern, sie
wird, wenn a = o, gleichfalls Null und sie wird verkehrt gerichtet, wenn der Punkt
N weiter hinaus gegen. Ni verstellt wird. Man kann daher durch Verschieben des Leitpunktes
N über 0 gegen N' die Vortriebsgeschwindigkeit bei gleichbleibender Umdrehungszahl
regeln und auch die Vortriebsrichtung umkehren. Dabei geht die Umkehrung der Vortriebsrichtung
bei der Radialverschiebung des Leitpunktes N ohne jeden seitlichen Stoß vor sich;
ein solcher Stoßwürde aber entstehen, wenn man die Vortriebsrichtung durch rasches
Drehen des Punktes N um den Punkt 0 über einen Winkel von rdo° verkehren würde.
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Durch die Kombinierung der beiden Regelungsarten, also des Drehens
des Punktes N um die Achse 0 und des Radialverschiebens des Punktes N, kann man
in der einfachsten Weise alle erforderlichen Regelungen in der jeweils günstigsten
Weise durchführen. Ein derartiges Schaufelrad kann auch als Turbine verwendet werden,
wobei durch die Radialverstellung des Leitpunktes N die Drehzahl des Rades bei gleichbleibender
Strömungsgeschwindigkeit ändern und auch die Drehrichtung verkehren kann.
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In konstruktiver Beziehung kann ein solches Rad und sein Lenkmechanismus,
wie bereits erwähnt, in verschiedener Weise ausgeführt werden.
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Drehpunkten einander Punkt jedem