Wasserturbine mit schwingenden laufradschaufeln. Die von Ernst Schneider in Wien ge machte Erfindung eines Schaufelrades (siehe österreichische Patentschrift Nr. 105723) ge langte zur Anwendung im Bau von Schiffs antriebpropellern (Voith-Schneider Propeller). Die in der erwähnten Patentschrift aufge zeigte Möglichkeit, eine Turbine auf gleicher Basis zu entwickeln, führt hingegen zu Schwie rigkeiten. Dies hat seinen Grund darin, dass die Bewegung der Schaufeln nach der von Ernst Schneider angegebenen Gesetzmässig keit für eine Turbine nur annähernd richtig ist.
Es ist nicht Zweck der vorliegenden Er findung, ein Verfahren aufzudecken, wie diese Bewegung sein muss. Zweck der vorliegenden Erfindung, die eine Wasserturbine mit schwin genden Laufradschaufeln betrifft, ist es, eine Konstruktion aufzuzeigen, die eine Bewegung der Schaufeln frei von jeder geometrischen Gesetzmässigkeit und also rein nach den hydrau lischen Erfordernissen ermöglicht. Dies wird gemäss der Erfindung dadurch erreicht, dass der die schwingende Drehbewegung der Lauf radschaufeln bewirkende Mechanismus durch einen zentral angeordneten, in Richtung der Drehachse des Laufrades verstellbaren Steuer nocken gesteuert wird, welcher seinerseits mit einer Regelvorrichtung in Verbindung steht.
Die günstigste Form des Steuernockens und damit die günstigste Bewegung der Lauf radschaufeln kann an einem Modell auf dem Versuchswege bestimmt werden.
Auf der Zeichnung ist ein Ausführungs beispiel des Erfindungsgegenstandes darge stellt. Fig. 1 zeigt einen Achsenschnitt durch dasselbe und Fig.2 einen Querschnitt durch den Steuermechanismus desselben; Fig. 3 ist ein Querschnitt nach der Linie i-i in Fig.1, wobei gleichzeitig Geschwindigkeitsdiagramme dargestellt sind; Fig. 4 zeigt Laufradschaufeln in verschiedenen Lagen; Fig. 5 zeigt den Steuernocken;
Fig. 6 und 7 sind Schnitte nach den Linien a-a bezw. .b-b in Fig. 5 durch den Steuernocken.
In derWasserführungskammerD, die recht eckigen Durch$ussquerschnitt aufweist, sind eine Anzahl Führungsstege .E angeordnet. In dieser Kammer liegt ferner das Laufrad, das zwei Radscheiben B und C, sowie Schaufeln G und Verbindungsbolzen F, die zur mecha nischen Verbindung der beiden Radscheiben, sowie zur Lagerung der Schaufeln G dienen, besitzt. Die Radscheibe B ist als Hohlkörper ausgebildet, der zur Aufnahme des Steuer gestänges für die Schaufelverstellung dient. Die beiden Radscheiben B und C des Lauf rades sind auf den Wellen<I>M</I> und<I>N</I> ange ordnet, die in den Lagern .K und L gelagert sind.
Der Steuermechanismus für die Schaufel verstellung besitzt einen nichtumlaufenden, aber inachsialerRichtung verstellbaren Steuer nocken P, der mit umlaufenden Fingern Q, welche einerseits in den drehbar angeordneten Hülsen 0 geführt sind und anderseits an den auf den Schaufeln G festsitzenden Hebeln S angreifen, zusammenarbeitet. Die Hebel S stehen unter dem Einfluss von Federn T. Diese Zugfedern<I>T</I> drücken die Finger Q gegen den Steuernocken, so dass diese mit ihren Rollen U in jeder Lage des Steuer- nockens P mit der Umfangsfläche desselben Kontakt haben.
Jede Schaufel nimmt daher in jeder Stellung des Rades die Stellung ein, die durch die Form des Steuernockens be stimmt ist. Der Steuernocken besitzt einen Steuerquerschnitt a--a (Fig. 5 und 6), der kreisrund und zur Drehachse z zentrisch ge legen ist, so dass der Steuerradius r des Steuer- nockens P für jeden Winkel a zwischen 0 und 360' gleich gross ist.
Wenn der Steuer nocken so achsial verschoben wird, dass der Steuerquerschnitt a-a steuert, haben sämt liche Schaufeln die gleiche relative Lage zum Rad, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Schaufelachsen s-s Tangenten bilden an den Schaufelkreis k. Alle übrigen Steuerquer schnitte des Steuernockens haben eine von der Kreisform abweichende Gestalt, und zwar weichen sie von der Kreisform um so stärker ab, je weiter entfernt sie vom Steuerquer schnitt a-a liegen.
Der grösste Steuerradius des Steuerquerschnittes b-b ist mit r9 und der kleinste mit ri bezeichnet (Fig. 5 und 7). Bei jeder Umdrehung des Rades vollführt jede Schaufel eine der Radiendifferenz r?.-ri entsprechende volle Drehschwingung um ihre Drehachse. Dabei ist das Ganze derart aus gebildet, dass die Schaufelspitze in den Zu ström-Quadranten I und II aus dem Schaufel kreis k heraus, in den Abström-Quadranten III und IV aber in den Schaufelkreis k hinein ragt.
Die Arbeitsweise des durch die Turbine strömenden Wassers ist im folgenden an Hand von Fig. 3 erläutert. In dieser Figur sind für die Schaufeln 2, 3, 5 und 6 die Geschwin digkeitsdreiecke eingezeichnet. Es bedeuten c die absolute Geschwindigkeit des Wassers in der Turbine, u die Umfangsgeschwindigkeit der Schaufeln auf dem Schaufelkreis<I>k,</I> zv die relative Strömung des Wassers in bezug auf die Schaufeln G.
w bestimmt sich dermassen, dass c die Resultierende aus<I>u</I> und ?v ist.<I>u</I> ist so zu wählen, dass w einen Winkel<I>r,</I> An- stellwirikel genannt, mit der Schaufelachse s-s einschliesst. Die Schaufeln werden also unter dem Anstellwinkel r angeströmt, man kann auch sagen, die Schaufeln bewegen sich mit der Momentangeschwindigkeit tv im Was ser, und zwar in der Weise, dass die Achse der Schaufel mit dem Geschwindigkeitsvektor den Anstellwinkel r einschliesst.
Dabei tritt einerseits an der Schaufel ein Widerstand W entgegengesetzt der Bewegungsrichtung auf und anderseits eine Auftriebkraft A senkrecht zur Bewegungsrichtung, in diesem Falle senk recht zu tv (siehe Hütte, Band I, Seite 383, 25. Auflage). Die Praxis lehrt nun, dass bei geeigneter Formgebung der Schaufeln G die Auftriebskraft A ein Vielfaches des Wider standes W werden kann. In Fig. 4 sind an je einer Schaufel in den Quadranten I und III die auf die Schaufeln wirkenden Wider stands- und Auftriebskräfte W bezw. d ein gezeichnet.
Die Resultierende B aus W und A jeder Schaufel ergibt, multipliziert mit dem Abstand d dieser Resultierenden von der Drebachse z, das von jeder Schaufel er zeugte Drehmoment auf die Turbinenwelle.
Anzahl und Grösse der Schaufeln können frei gewählt werden. Werden die Schaufeln mit einer Länge h gleich dem Schaufelab stand t ausgeführt, so kann dadurch erreicht werden, den Wasserdurchfluss durch die Tur- bine durch blosses Verstellen des Steuernockens abstoppen zu können. Bei dieser Schaufel stellung, die in Fig. 4 im Quadranten IV dar gestellt ist, ist der zentrischeSteuerquerschnitt des Steuernockens in wirksamer Stellung.
Ist beim Schaufelrad gemäss Fig. 4 der in der Fig. 5 mit b--b bezeichnete Steuerquer schnitt in wirksamer Lage, so nehmen die Schaufeln die im II. Quadranten der Fig. 4 gezeichneten Stellungen ein. Das Rad ist ge öffnet, d. b. es verarbeitet ein gewisses Quan tum Wasser und gibt eine entsprechende Leistung her.
Man hat es demnach in der Hand, durch Verstellen des Steuernockens Wasserdurchtritt und Leistung und damit auch die Drehzahl der Turbine zu regulieren, wenn man nur.den Steuernocken vermittels der Stange V mit einer Handreguliervorrich- tung oder einem automatischen Regulator in Verbindung bringt.
Dreht man bei der oben beschriebenen Turbine den Steuernocken um<B>1800</B> um die Achse z, so werden die Schaufeln des I. und II. Quadranten nach einwärts geschwenkt, d. h. die Schaufelspitzen ragen in den Schaufel kreis k hinein und die Schaufeln im IH. und IV. Quadranten werden nach auswärts ge schwenkt. Die Schaufeln würden dann wieder richtig arbeiten, und zwar ganz genau gleich wie oben beschrieben, wenn der Wasserdurch- tritt durch die Turbine entgegengesetzt der Pfeilrichtung f erfolgen würde. Durch blosses Verdrehen des Steuernockens kann also die Turbine auf entgegengesetzte Durchflussrich- tung eingestellt werden.
Eine solche Turbine eignet sich deshalb gut zur Ebbe- und Flut- ausnützung.
Water turbine with swinging impeller blades. The invention of a paddle wheel made by Ernst Schneider in Vienna (see Austrian patent specification No. 105723) was used in the construction of ship propulsion propellers (Voith-Schneider propellers). The ability to develop a turbine on the same basis, however, leads to difficulties in the patent mentioned. The reason for this is that the movement of the blades according to the law given by Ernst Schneider is only approximately correct for a turbine.
It is not the purpose of the present invention to reveal a method of how this movement must be. The purpose of the present invention, which relates to a water turbine with oscillating impeller blades, is to show a construction that allows the blades to move free of any geometrical law and thus purely according to the hydraulic requirements. This is achieved according to the invention in that the mechanism causing the oscillating rotary movement of the running wheel blades is controlled by a centrally arranged control cam which is adjustable in the direction of the rotation axis of the running wheel and which in turn is connected to a control device.
The most favorable shape of the control cam and thus the most favorable movement of the running wheel blades can be determined on a model on the test route.
In the drawing, an execution example of the subject invention is Darge provides. Fig. 1 shows an axial section through the same and Fig. 2 shows a cross section through the control mechanism of the same; Fig. 3 is a cross-section along the line i-i in Fig. 1, with speed diagrams being shown at the same time; 4 shows impeller blades in different positions; Fig. 5 shows the control cam;
6 and 7 are sections along the lines a-a and respectively. .b-b in Fig. 5 by the control cam.
A number of guide webs .E are arranged in the water guide chamber D, which has a rectangular flow cross-section. In this chamber is also the impeller, which has two wheel disks B and C, as well as blades G and connecting bolts F, which are used to mechanically connect the two wheel disks and to support the blades G. The wheel disc B is designed as a hollow body which serves to accommodate the control rod for the blade adjustment. The two wheel disks B and C of the impeller are arranged on the shafts <I> M </I> and <I> N </I>, which are mounted in bearings .K and L.
The control mechanism for the blade adjustment has a non-rotating, but inachsialerdirection adjustable control cam P, which works together with rotating fingers Q, which are guided on the one hand in the rotatably arranged sleeves 0 and on the other hand attack the levers S fixed on the blades G. The levers S are under the influence of springs T. These tension springs <I> T </I> press the fingers Q against the control cam so that their rollers U make contact with the circumferential surface of the control cam P in every position .
Each blade therefore assumes the position that is determined by the shape of the control cam in every position of the wheel. The control cam has a control cross-section a - a (FIGS. 5 and 6) which is circular and centric to the axis of rotation z, so that the control radius r of the control cam P is the same for every angle a between 0 and 360 ' .
If the control cam is axially displaced so that the control cross section controls a-a, all Liche blades have the same position relative to the wheel, which is characterized by the fact that the blade axes s-s form tangents to the blade circle k. All other control cross sections of the control cam have a shape deviating from the circular shape, and indeed they deviate from the circular shape the more the further away they are from the control cross section a-a.
The largest control radius of the control cross section b-b is designated with r9 and the smallest with ri (Fig. 5 and 7). With each revolution of the wheel, each blade executes a full torsional oscillation around its axis of rotation, corresponding to the radius difference r? .- ri. The whole is formed in such a way that the blade tip protrudes into the inflow quadrants I and II out of the blade circle k, but into the outflow quadrants III and IV into the blade circle k.
The mode of operation of the water flowing through the turbine is explained below with reference to FIG. In this figure, the speed triangles are drawn for the blades 2, 3, 5 and 6. C is the absolute speed of the water in the turbine, u is the peripheral speed of the blades on the blade circle <I> k, </I> zv is the relative flow of the water in relation to the blades G.
w is determined in such a way that c is the resultant of <I> u </I> and? v. <I> u </I> is to be chosen such that w is an angle <I> r, </I> An - called stellwirikel, with the blade axis including ss. The flow against the blades is therefore at the angle of attack r, one can also say that the blades move in the water at the instantaneous speed tv, in such a way that the axis of the blade with the velocity vector includes the angle of attack r.
On the one hand, there is a resistance W on the blade opposite to the direction of movement and, on the other hand, a buoyancy force A perpendicular to the direction of movement, in this case perpendicular to tv (see Hütte, Volume I, page 383, 25th edition). Practice now shows that with a suitable shape of the blades G, the buoyancy force A can be a multiple of the resistance W can be. In Fig. 4 are on a blade in each of the quadrants I and III, the resistance and lift forces acting on the blades W respectively. d a drawn.
The resultant B from W and A of each blade, multiplied by the distance d of this resultant from the axis of rotation z, gives the torque on the turbine shaft from each blade.
The number and size of the blades can be freely selected. If the blades are designed with a length h equal to the blade spacing t, it can thereby be achieved that the water flow through the turbine can be stopped by simply adjusting the control cam. In this blade position, which is shown in Fig. 4 in quadrant IV, the central control cross-section of the control cam is in the operative position.
If, in the paddle wheel according to FIG. 4, the control cross section designated b - b in FIG. 5 is in an effective position, the paddles assume the positions shown in the II. The wheel is open, i. b. it processes a certain amount of water and produces a corresponding output.
It is therefore in the hand of adjusting the control cam to regulate the water passage and power and thus also the speed of the turbine, if only the control cam is connected to a manual regulator or an automatic regulator by means of the rod V.
If the control cam of the turbine described above is rotated by <B> 1800 </B> around the axis z, the blades of the 1st and 2nd quadrants are pivoted inwards, i. H. the blade tips protrude into the blade circle k and the blades in IH. and IV. Quadrants are pivoted outwards. The blades would then work properly again, exactly as described above, if the water would pass through the turbine in the opposite direction to the arrow direction f. By simply turning the control cam, the turbine can be set to the opposite flow direction.
Such a turbine is therefore well suited for ebb and flow exploitation.