DE493539C - Schaufelrad - Google Patents

Schaufelrad

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DE493539C
DE493539C DEV24386D DEV0024386D DE493539C DE 493539 C DE493539 C DE 493539C DE V24386 D DEV24386 D DE V24386D DE V0024386 D DEV0024386 D DE V0024386D DE 493539 C DE493539 C DE 493539C
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Germany
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wheel
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blades
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DEV24386D
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JM Voith GmbH
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JM Voith GmbH
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Expired legal-status Critical Current

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Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63HMARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H1/00Propulsive elements directly acting on water
    • B63H1/02Propulsive elements directly acting on water of rotary type
    • B63H1/04Propulsive elements directly acting on water of rotary type with rotation axis substantially at right angles to propulsive direction
    • B63H1/06Propulsive elements directly acting on water of rotary type with rotation axis substantially at right angles to propulsive direction with adjustable vanes or blades
    • B63H1/08Propulsive elements directly acting on water of rotary type with rotation axis substantially at right angles to propulsive direction with adjustable vanes or blades with cyclic adjustment
    • B63H1/10Propulsive elements directly acting on water of rotary type with rotation axis substantially at right angles to propulsive direction with adjustable vanes or blades with cyclic adjustment of Voith Schneider type, i.e. with blades extending axially from a disc-shaped rotary body

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Ocean & Marine Engineering (AREA)
  • Hydraulic Turbines (AREA)

Description

  • 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 dem sie arbeiten, vorwiegend in einer Richtung beaufschlagt werden, die senkrecht zur Radachse verläuft. Solche Schaufelräder können als Antriebsmittel für Wasser- oder Luftfahrzeuge, als Wasseröder Windkraftmaschinen, Pumpen, Ventilatoren, Gebläse o. dgl. verwendet werden.
  • Zur Erläuterung des Wesens der Erfindung soll vor allem an dem in Fig. i im Aufriß und in Fig. 2 im Grundriß dargestellten Ausführungsbeispiel die Art der Schaufelräder gezeigt werden, auf die sich die Erfindung bezieht.
  • Die Hauptwelle i trägt den Radkörper 2, in dem die Schaufeln 3 um Achsen q. drehbar gelagert sind. Das Rad als Ganzes rotiert um die Achse i im Sinne des Pfeiles u und vollführt gleichzeitig eine Translationsbewegung relativ zu dem die Schaufeln umgebenden Medium (z. B. Wasser), so daß dieses dem Rad mit der Geschwindigkeit v zuströmt. Während der Rotation des Rades bewegen sich die Schaufeln 3 bei dieser Ausführungsform um ihre Achsen q. 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 durchlaufenen Kreises liegt. Der Antrieb der Schaufelbewegung (hier ist es eine schwingende Bewegung) kann verschiedenartig erfolgen; in Fig. 2 ist als Ausführungsbeispiel eine feststehende Kurvenscheibe 5 dargestellt, auf der Rollen 6 laufen, 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 oder der hinteren Radhälfte auf zwei verschiedenen Seiten der Schaufelsehne liegt und daß die Relativbewegung der Teilchen 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 solchen Schaufelrädern mögliche sehr hohe Wirkungsgrad auch tatsächlich erreicht werden soll. Wegen der Rückenbeaufschlagung der Schaufeln in der hinteren Radhälfte (s. die Verschiedenheit der Beaufschlagung in den Schaufelstellungen I und II in Fig. 6, auf die 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 Mittelflächeder Schaufel in einem solchen Maße bestimmt wird, daß, wie theoretische Erwägungen erkennen lassen und versuchsmäßige Nachprüfungen bestätigen, die Erzielung eines sehr hohen Wirkungsgrades ermöglicht wird. Es 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 zurückführen läßt. Die Erkenntnis, daß das Medium der Schaufel in krummen Bahnen von zahlenmäßig genau bestimmbarem Radius zuströmt, gestattet es, die Krümmung der Schaufel der Krümmung der Relativströmung anzupassen und die hydraulischen Wirkungen auf Grund jener Gesetzmäßigkeiten zu beeinflussen, die für die geradlinige Anströmung von profilierten Flächen gefunden wurden. Es sei zunächst angenommen,, daß die Radachse im Raum stillsteht; es läßt sich dann die Bewegung der Schaufel relativ zu diesem Raum stets auf eine Drehung um ein Momentanzentrum zurückführen. Das Aufsuchen des ersten Momentanzentrums 1111 ist für jede beliebige Antriebsart der Schaufel mit bekannten Methoden der Bewegungslehre rechnerisch oder zeichnerisch durchführbar. Für den dargestellten Kurvenscheibenantrieb ergibt sich gemäß Fig. 3 das Momentanzentrum l111 als Schnittpunkt des durch die Drehachse der Schaufel gezogenen Durchmessers P 0 mit der Normalen 0l111 auf der Kurvenbahn ä - in dem augenblicklichen Berührungspunkt der Rolle. Um aber die vollständige Relativbewegung der Schaufel gegen das' Medium zu finden, ist die Drehung um das Momentanzentrum Ml noch mit der Translationsgeschwindigkeit v zusammenzusetzen, die in einiger Entfernung vor der Schaufel herrscht. Die Zusammensetzung einer Drehung mit einer Translation ergibt wieder eine Drehung, und zwar um ein Zentrum M2, das gegenüber dem ersten Zentrum 1111 in einer auf der Translation senkrechten Richtung verschoben ist. Der Strömungspol M2 liegt daher auf einer durch den Punkt Ml senkrecht zu v gezogenen Linie im Abstand worin u die Umfangsgeschwindigkeit auf dem den Drehachsen der Schaufeln durchlaufenen Kreise bedeutet.
  • Die Relativbewegung des Mediums gegen die Schaufel erfolgt so, als ob die ruhend gedachte Schaufel von einer Strömung beaufschlagt werden würde, die um Strömungspol M2 bogenförmig im Sinne der 75 Pfeile w verläuft. Die in Fig. 3 strichpunktiert gezeichnete Strecke r gibt daher ein zahlenmäßig genau bestimmbares der Krümmung der Relativströmung an, der die Schaufelform ist. so Diese Krümmung der Strömung weist bei einem und demselben Rad und gleichem Beegungsgesetz der Schaufeln an entsprechenden Stellen des Schaufelkreislaufes verschiedene Werte auf, wenn das Rad unter ver- 85 schiedenen Betriebsbedingungen, namentlich K wird daher verschiedenen . Mittel 7 alle mit verschiedenem Verhältnis arbeitet. Die rümmung der Relativströmung- und die ihr angepaßte Krümmung der Schaufeln hei einem und demselben Rad verschieden sein, j e 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 Punkten des Laufkreises ABCD (Fig.2) verschieden. Als maßgebend für die Wahl der richtigen Schaufelfarm erweist sich aber in erster Linie die Krümmung ri und r der Relativströmung in den beiden Punkten A 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 der beiden Strömungskrümmungen in A und in C liegen; mit anderen Worten: der Radius der Mittelfläche der Schaufel soll kleiner sein als die halbe Summe r1 und r2 und größer als die Quadratwurzel aus dem Produkt von- y1 und y2.
  • Die Fig. 5, 6 und zeigen die Strömungs-und Kraftpläne bei etwa für den Schiffsantrieb dienenden Schaufelrädern, bei denen beispielsweise das Bewegungsgesetz der Schaufeln ein derartiges ist, daB die Radiusvektoren, die senkrecht auf der Schaufelfläche stehen und von dem Drehpunkt der Schaufeln ausgehen, 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- oder 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 Krümmungsr adius 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 sein Sollte, während der Krümmungsradius der Mittelfläche der Schaufeln bei dem Rad nach Fig. 7 entsprechend der Erfindung bemessen ist. Alle anderen Abmessungen und auch die Betriebsverhältnisse sind bei allen drei Rädern ganz gleich angenommen.
  • Die Scharen der Pfeile w stellen die um die Strömungspole 114 (diese sind der Einfachheit halber nur in Fig.7 eingezeichnet) gekrümmte relative Anströmung der Schaufeln dar, während die Pfeile Kdie 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 hydraulischen 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, claß bei zu- starker Krümmung der Schaufeln die vordere Radhälfte den Hauptanteil des hydraulischen Schubes übernimmt, während die hintere Radhälfte wenig oder gar nicht arbeitet, ja sogar das Wasser zurückstauen kann. Überdies arbeiten die Schaufeln bei einer zu starken Krümmung ihrer Mittelfläche, namentlich im Gebiete ihrer Stellungen III bis IV, wie man sieht, reit einer ganz ungünstigen Kraftrichtung, womit große Leitungsverluste verbunden 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 Kraftrichtung kommen.
  • Bei einem Schaufelrad, bei dem die Krümmung der Mittelfläche der Schaufeln im Sinne der Erfindung bemessen ist, fallen, wie Fig. 7 zeigt, diese Nachteile weg, indem sich die hydraulische Belastung auf die beiden Radhälften gleichmäßig verteilt und die hydraulischen Schubkräfte günstig gerichtet sind.
  • Als Beispiel für die Bemessung der Schaufelkrümmung sei ein Schaufelrad angeführt, das in einem geschlossenen Kanal von rechteckigem Querschnitt als Förderpumpe arbeitet. Es sei dabei angenommen, daß der Durchmesser des Schaufelkreises 3,00 m betrage und daß das Rad bei 125 Umdrehungen in der Minute eine Wassermenge fördern soll, die im Radquerschnitt eine Translationsgeschwindigkeit v von 2,5o mlsek bedingt. Das Bewegungsgesetz der Schaufeln sei wie das schon oben erwähnte derart, daß die auf den Schaufelflächen 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 der Relativströmung besitzen dann im Punkt A den Radius r1 = 2, i o m und im Punkt C den Radius r2 z,oo 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 1,55m.
  • Die Mittellinie der Schaufel muß nicht stets ein Kreisbogen sein, sondern kann je nach der Art des angewendeten Profils auch eine andere Kurve bilden, die einem Kreisbogen ähnlich ist. Als Schaufelkrümmung wird dabei im Sinne der Fig. d. stets der Halbmesser R jenes Kreises verstanden, der durch die Eintrittskante, die Austrittskante und die Mitte der Schaufeldicke in der Mitte der LängenausdehnungT des Profils (Punkts ) 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 Schaufeldicke 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 Grenzen liegen. Das Bewegungsgesetz der Schaufeln kann verschieden sein; die Schaufeln können relativ zum Rad schwingen oder mit ungleichförmiger Winkelgeschwindigkeit umlaufen. Maßgebend für das Bewegungsgesetz ist die Forderung, daß stets eine und dieselbe Schaufelkante im Sinne der Relativströmung voraneilt und als Eintrittskante wirkt:

Claims (1)

  1. PATENTANSPRUCH: Schaufelrad, dessen Schaufeln während der Umdrehung des Rades sich relativ zu diesem um Achsen bewegen, die parallel oder nahezu parallel zur Radachse liegen. und alle stets von dem Medium, in welchem sie arbeiten, vorwiegend in einer Richtung beaufschlagt werden, die senkrecht zur Radachse verläuft, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungshalbmesser der Mittelschnittfläche der im gleichen Sinn wie die Krümmung der Relativströmung gekrümmten Schaufeln kleiner ist als das arithmetische Mittel und größer ist als das geometrische Mittel der Halbmesser der für Parallelströmung konstruierten Krümmung der Relativströmung an jenen beiden Punkten des von den Schaufelachsen durchlaufenen Kreises, die auf einem Durchmesser liegen, der auf der Richtung der relativen Translationsbewegung zwischen dem Schaufelrad und dem Medium senkrecht steht, entsprechend der Formel:
DEV24386D 1927-09-28 1928-09-27 Schaufelrad Expired DE493539C (de)

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AT493539X 1927-09-28

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DE493539C true DE493539C (de) 1930-03-14

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ID=3675189

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DEV24386D Expired DE493539C (de) 1927-09-28 1928-09-27 Schaufelrad

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DE (1) DE493539C (de)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1006298B (de) * 1954-06-11 1957-04-11 Adam Breuer Antrieb fuer Wasserfahrzeuge
DE2611165A1 (de) * 1975-03-17 1976-10-14 Horst Dipl Ing Eichler Flankenantriebe fuer gleitboote und schnelle verdraengungsboote
WO2000001575A3 (en) * 1998-07-03 2000-03-09 Ralph Peter Steven Bailey Multi axis marine propulsion system

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE1006298B (de) * 1954-06-11 1957-04-11 Adam Breuer Antrieb fuer Wasserfahrzeuge
DE2611165A1 (de) * 1975-03-17 1976-10-14 Horst Dipl Ing Eichler Flankenantriebe fuer gleitboote und schnelle verdraengungsboote
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