EP0209522B1

EP0209522B1 - Vorrichtung zum erzeugen einer gerichteten flüssigkeitsströmung

Info

Publication number: EP0209522B1
Application number: EP85902433A
Authority: EP
Inventors: Silvan Hess
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1985-02-04
Filing date: 1985-06-03
Publication date: 1989-09-13
Also published as: US4753574A; DE3573010D1; JP2573568B2; WO1986004648A1; CH666663A5; JPS62501924A; EP0209522A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen von gerichteten Flüssigkeitsströmungen, seien diese Flüssigkeiten reine Stoffe, Lösungen oder Mischungen von verschiedenen Flüssigkeiten, Aufschwemmungen, Flotten oder Fluide ähnlicher Beschaffenheit.
Vorrichtungen zum Erzeugen von gerichteten Flüssigkeitsströmungen sind in grosser Zahl bekannt und verteilen sich auf die verschiedensten Klassen von Vorrichtungen und werden zu den verschiedensten Zwecken eingesetzt. Vom Verwendungszweck her sind zwei Gruppen unterscheidbar: Entweder wird durch die Vorrichtung die Flüssigkeit in Bewegung gesetzt, und die Vorrichtung bleibt im wesentlichen ortsfest, dann handelt es sich um Pumpvorrichtungen; oder die Vorrichtung ist auf eine, bezüglich der Flüssigkeit bewegliche, Trägervorrichtung angebaut, so wird in aller Regel sowohl die Flüssigkeit als auch die Trägervorrichtung in Bewegung versetzt, dann handelt es sich um den Antrieb eines Wasserfahrzeuges.
Zu beiden Zwecken - zum Pumpen von Flüssigkeiten wie zum Antreiben von Wasserfahrzeugen - werden ähnliche Vorrichtungen verwendet: Propeller und Schrauben verschiedenster Konstruktion, aber auch mühlrad-ähnliche Vorrichtungen mit Paddeln, die in die Flüssigkeit eintauchen.
Es ist bekannt, dass Schrauben und Propeller allgemein einen niedrigen Wirkungsgrad haben. Neben der Impulsübertragung in axialer Richtung - die allein der Fortbewegung oder der Flüssigkeitsförderung dienen - wird die Flüssigkeit auch in erheblichem Masse in radialer und tangentialer Richtung beschleunigt und gefördert, ein Energie- bzw. Leistungsaufwand, der in vielen Fällen verloren geht. Durch Ummantelung des Propellers und durch Einbau von Schikanen, die die Tangentialströmung behindern bzw. umlenken, kann der Wirkungsgrad gesteigert werden. Die grossen Strömungsverluste, die durch die enormen Scherkräfte am Propeller selbst entstehen, können jedoch nicht aufgehoben werden. Dies gilt sowohl für Pumpen, wie für Wasserfahrzeug-Antriebe.
Bei rasch laufenden und/oder grossen Propellern entsteht ferner die bekannte und gefürchtete Erscheinung der Kavitation, verursacht durch kollabierende Dampfblasen, die entstehen, wenn der lokale Druck den Dampfpartialdruck der geförderten Flüssigkeit unterschreitet. Auch dies ist eine Folge der radialen Beschleunigung der Flüssigkeit.
Bei schaufelradartigen Antriebsvorrichtungen, seien sie zur Flüssigkeitsförderung, seien sie als Fahrzeugantrieb eingesetzt, entfallen zwar einige der Nachteile der Propeller oder Schrauben, doch bauen solche Antriebsvorrichtungen in der Regel sehr gross, und infolge ihrer angenähert gleichförmigen Bewegung durch die Flüssigkeit ist die Impulsübertragung bzw. Änderung, die ja die Vortriebskraft bewirkt, verhältnismässig klein.
Bei den genannten Klassen der Antriebsvorrichtungen entstehen zudem an den Kanten der Schaufeln Flüssigkeitswirbel, die einen erheblichen Anteil der Antriebsleistung aufnehmen und nichts zur Fortbewegung beitragen, sondern, das besonders in der Kanalschiffahrt gefürchtete, Schmeisswasser bewirken.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Erzeugen einer gerichteten Flüssigkeitsströmung zu schaffen, die in der umgebenden Flüssigkeit eine grösstmögliche Impulsänderung in einer vorgegeben Richtung bewirkt und dabei ein Minimum an Schmeisswasser erzeugt.
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich durch eine Vorrichtung mit den in Anspruch 1 definierten Merkmalen.
Anhand der beiliegenden Zeichnungen sind Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes in beispielhafter, nicht beschränkender Art dargestellt,

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel im Aufriss
Fig. 2 das gleiche Ausführungsbeispiel im Grundriss
Fig. 3 eine Ansicht eines ersten paddelartigen Körpers
Fig. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel im Aufriss
Fig. 5 das Ausführungsbeispiel von Fig. 4 im Grundriss
Fig. 6 eine Ansicht eines zweiten paddelartigen Körpers
Fig. 7 ein drittes Ausführungsbeispiel im Aufriss
Fig. 8 das Ausführungsbeispiel von Fig. 7 im Grundriss.

Das Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1 besteht aus einer Grundplatte 1, in der zwei parallele Wellen 2, 3 drehbar gelagert sind. An den Endpunkten A und D der Wellen 2, 3 befinden sich zwei Gelenke 4, 5, deren Achsen in dieser Drehstellung der Wellen 2, 3 zueinander senkrecht stehen; die Verlängerung der Achse des Gelenkes 5 geht durch den Endpunkt A. Die Endpunkte A, D sind je die Schnittpunkte der Achsen der Wellen 2, 3 mit den Achsen der Gelenke 4, 5.
In den Gelenken 4, 5 ist je ein bügelförmiger Träger 6, 7 schwenkbar gelagert; durch die Enden dieser bügelförmigen Träger 6, 7 läuft je eine Welle 8, 9 deren Achsen zu den Achsen der Gelenke 4, bzw. 5 senkrecht stehen. Damit stehen auch die Achsen der Wellen 8, 9 senkrecht zueinander. Die Wellen 8, 9 laufen durch einen doppelpaddelförmigen Körper 10, in dem sie drehbar gelagert sind. Eine ähnliche Gelenkkonfiguration ist bekannt aus der CH-PS-216 760, wo die Vorrichtung einen Hohlkörper zur Aufnahme von beispielsweise Mischgut trägt.
Der Schnitt der Längsachse des Körpers 10 mit den Achsen der Wellen 8, 9 definiert zwei Punkte B, C. Die Konstruktion gemäss Fig. 1 ist so gewählt, dass für die Abstände der A, B, C, D gilt: AB = BC = CD.
Fig. 2 zeigt den Grundriss des gleichen Ausführungsbeispiels wie Fig. 1 auch in der gleichen Stellung des Körpers 10. Dieser ist gegliedert in zwei paddelförmige Teile 11, 12 die in zwei zueinander senkrecht stehenden Ebenen liegen, wobei die Spur dieser Ebenen die Längsachse 21 des Körpers 10 bildet und durch die Punkte B und C läuft.
Die Drehbewegungen der zwei Wellen 2, 3 verlaufen gegenläufig mit den Winkelgeschwindigkeiten bzw. w₂, die beide ungleichförmig sind, gegeneinander eine Phasenverschiebung von n/2 aufweisen und während eines vollen Umlaufs zwei Maximal- und zwei Minimalwerte aufweisen, die zueinander im Verhältnis 2 : 1 stehen.
Wird die Welle 3 in der mit 002 angegebenen Richtung gedreht, so beschreibt Teil 12 des Körpers 10 eine rasche Paddelbewegung auf den Betrachter zu, während sich Teil 11 des Körpers 10 mit einer langsamen Bewegung vom Betrachter wegbewegt. Nach einer Vierteldrehung der Wellen 2, 3 hat sich Teil 11 nach links oben geschwenkt und bewegt sich nun mit einer - beschleunigten - Bewegung auf den Betrachter zu, während Teil 12 sich rechts unten befindet und sich vom Betrachter wegbewegt. Während einer vollen Drehung der Wellen 2, 3 ergeben sich so vier stossähnliche Bewegungen des Körpers 10, je zwei von jedem Teil 11, 12 im Wechsel. Durch die erfindungsgemässe Form des Körpers 10 ergibt sich maximaler Strömungswiderstand in der Stellung und Bewegung des Teiles 12 gemäss Fig. 1 und minimaler Strömungswiderstand für die Bewegung und Stellung des Teiles 11.
Während einer vollen Umdrehung der Wellen 2, 3 ändern die Teile 11, 12 viermal Stellung und Bewegung und der Körper 10 führt insgesamt eine volle Rotation um seine - nicht raumfeste - Längsachse 21 aus.
Der Bewegungssinn in der Stellung gemäss Fig. 1 und 2 ist in Fig. 2 mit Pfeilen v" v₂ angegeben.
Fig. 3 zeigt den Körper 10 vom Punkt A aus gesehen. Die beiden Teile 11, 12 stehen zueinander senkrecht.
In Fig. 4, 5 ist ein zweites erfindungsgemässes Ausführungsbeispiel dargestellt. Während die Grundelemente der Konstruktion nämlich die Gelenkkonfiguration, die selben sind, wie in Fig. 1, 2, ist hier der Körper 10 durch einen Körper 14 ersetzt; ferner sind hier die bügelförmigen Körper 6, 7 so ausgeführt, dass sie die Wellen 8, 9 beidseitig abstützen und lagern. Der Körper 14 ist wiederum gegliedert in zwei zueinander senkrecht stehende, im wesentlichen ebene Teile 15, 16, deren Übergang 17 eine verwundene Fläche darstellt.
Fig. 6 zeigt den Körper 14 wiederum von Punkt A aus. Erkennbar sind die zueinander senkrecht stehenden Teile 15, 16 und deren Übergang 17. Eine nicht gezeichnete Variante zum Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 4, 5, 6 enthält einen Körper 14, der in seiner Gesamtheit eine verwundene Fläche darstellt, die durch Schraubung einer Geraden um die Längsachse 21 des Körpers 14 erzeugt wird. Eine Untervariante dazu enthält einen Körper 14, der durch Schraubung eines Bogens, beispielsweise eines Ellipsen-Abschnittes um die Längsachse 2, des Körpers 14 entsteht.
Fig. 7, 8 zeigen ein drittes erfindungsgemässes Ausführungsbeispiel. Hier ist, bei im übrigen unveränderter Antriebskonstruktion, bestehend aus der Wellen 2, 3, den bügelförmigen Trägern 6, 7 und den zueinander senkrecht stehenden Wellen 8, 9, ein Körper 18 vorhanden. Dieser Körper 18 ist ein räumliches Gebilde, umhüllt von einer Regelfläche, die sich zwischen zwei Ellipsen 19, 20 aufspannt. Die zwei Ellipsen 19, 20 stehen senkrecht zueinander und durchdringen einander. Ihre Schnittlinien liegen in der Körperlängsachse 21. Die Regelfläche wird durch eine Geradenschar gebildet, die zwischen diesen Ellipsen verlaufen und zwar jeweils zwischen den Berührungspunkten der Ellipsen 19, 20 mit einer Ebene, auf der sie abgewälzt werden. Die Wellen 8, 9 laufen durch die Zentren der Ellipsen 19, 20.

Claims

1. Vorrichtung zum Erzeugen einer gerichteten Flüssigkeitsströmung, dadurch gekennzeichnet,

- dass ein paddelartiger Körper (10, 14, 18), der nach Art eines Doppelpaddels gegliedert ist in zwei gleiche, mit ihren Wirkflächen zueinander senkrecht stehende paddelförmige Teile (11, 12), kardanisch getragen wird durch zwei einander meidende aber zueinander senkrecht verlaufende drehbare Wellen (8, 9), die ihrerseits auf den Wirkflächen der Teile (11, 12) senkrecht stehen,

- dass die Wellen (8, 9) getragen werden von je einem bügelförmigen Träger (6, 7), die schwenkbar gelagert sind in Gelenken (4, 5) an den Enden von zwei zueinander parallelen Wellen (2, 3), die ihrerseits in einer Grundplatte (1) drehbar gelagert sind,

- dass die Achsen der Gelenke (4, 5) senkrecht stehen zu den Achsen der Wellen (2, 3) und der Wellen (8, 9),

- dass die Abstände der Achsen der Gelenke (4, 5) von den Achsen der Wellen (8, 9) gleich gross sind wie der Abstand der Achsen der beiden Wellen (8, 9).

2. Vorrichtung zum Erzeugen einer gerichteten Flüssigkeitsströmung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden paddelförmigen Teile (11, 12) eben sind und in zueinander senkrecht stehenden Ebenen liegen, deren Spur in der Längsachse (21) des Körpers (10) liegt.

3. Vorrichtung zum Erzeugen einer gerichteten Flüssigkeitsströmung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der paddelförmige Körper (14) gegliedert ist in zwei zueinander senkrecht stehende, im wesentlichen ebene Teile (15, 16), deren Übergang (17) eine verwundene Fläche darstellt, wobei die im wesentlichen ebenen Teile (15, 16) in zueinander senkrecht stehenden Ebenen liegen, deren Spur in der Längsachse (21) des Körpers (14) liegt.

4. Vorrichtung zum Erzeugen einer gerichteten Flüssigkeitsströmung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der paddelartige Körper (14) die Form einer Regelfläche hat, die erzeugt wird durch Schraubung einer Geraden um die Längsachse (21) des Körpers (14).

5. Vorrichtung zum Erzeugen einer gerichteten Flüssigkeitsströmung nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Linie eine zur Längsachse (21) senkrechtstehende Gerade ist.

6. Vorrichtung zum Erzeugen einer gerichteten Flüssigkeitsströmung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der paddelartige Körper eine Form hat, die erzeugt wird durch Schraubung einer gebogenen Linie längs einer Geraden, welche die Längsachse des Körpers bildet.

7. Vorrichtung zum Erzeugen einer gerichteten Flüssigkeitsströmung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der paddelartige Körper (18) die Raumform einer Regelfläche hat, deren Begrenzung in Richtung der Längsachse (21) durch je eine Ellipse gebildet ist, wobei die beiden Ellipsen (19, 20) senkrecht zueinander stehen und einander durchdringen, so dass ihre Schnittlinie in der Längsachse des Körpers liegt, und wobei die Mantelfläche des Körpers durch Geraden gebildet ist, die sich zwischen den beiden Ellipsen erstrecken und deren Lage durch die Abwälzung der Ellipsen auf einer Ebene bestimmt ist.