DE481347C - Turbine, welche von einem Fluessigkeits- oder Gasstrom in Drehung versetzt wird - Google Patents

Description

DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBEN AM 20. AUGUST 1929

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

KLASSE 88 a GRUPPE

Maurice Joseph Charles Marie Thomas in Rouen, Frankr.

Patentiert im Deutschen Reiche vom 30. Juni 1928 ab

Die Erfindung bezieht sich auf eine durch einen Flüssigkeits- oder Gasstrom in Drehung versetzte Turbine,, deren Schaufeln drehbar an Trägern befestigt sind, die mit der Hauptwelle der Turbine in Verbindung stehen. Die Befestigungsstellen der Schaufeln sind regelmäßig auf der Oberfläche eines Zylinders verteilt. Jede Schaufel -kann sich während der Rotation der Turbinenwellen zwisehen zwei äußersten Stellungen, die von Halteorganen abhängig sind, einstellen. In diesen beiden äußersten Stellungen ist der Impuls, den die Turbine von dem zum Antrieb dienenden Flüssigkeitsstrom erhält, am stärksten. Zwischen den genannten äußersten Stellungen stellen sich die Schaufeln selbsttätig je nach der Strömungsrichtung und dem Strömungssinn des Antriebsmittels ein, derart, daß jede Schaufel während einer vollen Umdrehung der Turbinenwelle über einen Winkelbereich von mehr als i8o° antreibend wirkt, dagegen während des restlichen Winkelbereichs kein Drehmoment erzeugt, das der Antriebswirkung der übrigen Schaufeln

a5 entgegenarbeitet.

Einrichtungen der genannten Art sind an sich bekannt. Bei den bekannten Einrichtungen werden die äußersten Stellungen der Turbinenradschaufeln durch starre Anschläge bestimmt und können sich die Schaufehl innerhalb des durch die Anschläge begrenzten Bereiches frei bewegen. Die Stellung der Schaufeha hängt bei den bekannten Einrichtungen einzig und allein von der Richtung des die Antriebs wirkung auf die Turbine ausübenden Flüssigkeitsstromes und der von diesem Flüssigkeitsstrom ausgeübten Kraftwirkung ab. Die Stellung, welche die, Schaufeln lediglich unter der Wirkung des Flüssigkeitsstromes einnehmen, weicht aber häufig von derjenigen Stellung ab, welche die Schaufeln in einem bestimmten Moment einnehmen sollten, um der Maschinenwelle einen möglichst großen Kraftimpuls zu erteilen. Gemäß der Erfindung sind jedoch die Schaufehl dauernd der Einwirkung von zur Energiespeicherung dienenden Organen, beispielsweise Federn, unterworfen. Diese Federn nehmen infolge ihrer Spannung während derjenigen Periode, in der sich die Schaufeln in der einen Endstellung befinden, Energie auf und geben diese Energie bei der Überführung der Schaufeln von ihrer einen Endstellung in die andere wieder· her. Die Schaufeln werden also gemäß der Erfindung zwangläufig in den richtigen Augenblicken in ihre verschiedenen Stellungen überführt und sind nicht allem der Wirkung des Flüssigkeits-

stromes unterworfen. Die Arbeitsweise des, Erfindungsgegenstandes ist daher eine vjel, günstigere als die der bekannten Einjäph,-tungen, insbesondere ist der Wirkungsgrad des Erfindungsgegenstandes wesentlich Ijpher als der Wirkungsgrad der bekannten Einrichtungen.

Gemäß einer besonderen Ausführungsfprm, der Erfindung trägt die Drehachse einer ίο jeden Schaufel zwei Querarme, dje in einer Geraden angeordnet sind, welche schräg zu der Ebene der Schaufel steht. Die freien Enden der genannten Arme sind durch Seile oder andere geeignete biegsame Organe mit kraftspeichernden Mitteln, vorzugsweise Federn oder hydraulischen bzw. pneumatischen Kraftspeichern, verbunden. Wenn Federn als Kraftspeicher benutzt werden, so können die Federn auf einem mit der Turbinenwelle verbundenen Träger angeordnet werden. Dieser Träger kann entweder fest mit der Turbinenwelle verbunden sein, oder er. kann auf. der Turbinenwelle derart angeordnet sein, daß er unter der Wirkung eines an sich: bekannten Geschwindigkeitsreglers in axialer Richtung verschoben wird.

Der Erfindungsgegenstand ist in der Zeichnung beispielsweise dargestellt, und zwar zeigt Abb. ι in perspektivischer Ansicht eine Turbine gemäß der Erfindung, die durch einen Flüssigkeitsstrom angetrieben wird.

Abb. 2 bis S stellen schematisch gewisse Einzelheiten dieser Maschine dar. Diese Einzelheiten nehmen in den einzelnen Abbildungen verschiedene charakteristische Stellungen ein, welche die Wirkungsweise der Erfindung charakterisieren.

In den Zeichnungen bedeutet a die Welle der Turbine, welche senkrecht angeordnet ist und die derart ausgebildet ist, daß sie die Gesamtheit der Turbine trägt. An ihrem unteren Ende wird die Welle beispielsweise durch ein Spurlager oder eine ähnliche Einrichtung getragen, während sie an einer geeigneten Stelle, beispielsweise an ihrem oberen Ende, durch ein Halslager geführt wird.

Auf der Welle« ist ein rechteckiges Ge^ stellt mit Hilfe zweier Hülsenc¹ und c², die mit Befestigungseinrichtungen versehen sind, angeordnet. Der Rahmen δ wird in eine solche Stellung gebracht, daß er, nachdem die Welle ihre endgültige Stellung eingenommen hatj versenkt wird und seine Ebene dabei ungefähr rechtwinklig zu der Richtung χ de,s Stromes steht.

Der Rahmen & wird derart ausgebildet, daß sich seine senkrechten Seiten b¹ und b² frei gegenüber den horizontalen Verbindungsstangen des Rahmens drehen können. An den beiden Seitenteilen &¹ und b² werden Plattend¹ und d? befestigt, die die Schaufeln darstellen. Die Drehachsen der Platten d¹ und; d², die um i8o° gegeneinander versetzt sindj. drehen sich parallel zu der Achse der Antriebswelle a.

Auf jeder der Achsenb¹ und b², beispielsweise auf ihrem oberen Ende, sind zwei Querarme e¹, e² bzw. e³, e^, welche beiderseits seitlich, über die Achsen &¹, b² hervorragen, befestigt. Die Querarme nehmen einen geeigneten. Winkel y gegenüber der Schaufelebene- ein-. Die Enden der Querarme sind durch elastische Verbindungsglieder/¹, f² bzw. /³, /* beispielsweise durch Seile mit elastischen Organen, beispielsweise den Schraubenfedern A¹, h² bzw. A³, A⁴, verbunden. Die Seile werden dabei über Rollen, die an der- Hülse c¹ befestigt sind, geleitet. Die Federn A¹, A² bzw. Ifi und A⁴ sind mit ihrem freien Ende an einem hülsenförmigen Teili befestigt, der auf der Welle a, vorzugsweise in ihrem unteren Teil, angeordnet ist.

Die Wirkungsweise der. vorstehend beschriebenen Maschine ist, nachdem diese in einen Flüssigkeitsstrom von. beliebiger horizontaler Strömungsrichtung gebrächt ist, die folgende, wobei vorausgesetzt ist, daß die Strömungsrichtung ungefähr konstant bleibt. Wenn die Fläched¹ sich in derjenigen Stellung befindet, die in den Abb. 1 und 2 darge- go stellt ist, ist der Druck des Stromes auf die Fläche ungefähr ein Maximum. In dieser Stellung ist die Feder A¹ vollkommen gespannt, während sich die Feder A² in völlig entspanntem Zustande befindet. Es sei darauf hingewiesen, daß bei. dieser Stellung, welche eine der. Endstellungen_ der Schaufelfläche darstellt, die Ebene dieser Fläche in bezug auf die Strömungsrichtung ein wenig diesseits der Antriebswellen bleibt. Diese Stellung ist durch die größte Spannung der Feder A¹ und durch die Länge des Kabels/¹ festgelegt, so daß infolgedessen auch die Größe des Winkels y bestimmt ist. Die Fläche rf² befindet sich in diesem Augenblick, wie in den Abb. 1 und_ 2. dargestellt ist, ungefähr parallel zu dem Flüssigkeitsstrom,! so daß sie kein Drehmoment hervorruft, das sich der Drehung der Welle α entgegenstellen könnte. Die Feder A⁴, die zu der letztgenannten Schaufelfläche gehört, ist dabei ein wenig gespannt, während die Feder A³ ein wenig schlaff geworden ist.

Wenn nun. der Strom mit seiner Wirkung auf die Schaufelfläche d¹ fortfährt, drängt er sie in die in Abb. 3 gestrichelt dargestellte Stellung. In diesem Moment hört die Schaufelflachefi?¹ auf, durch den Strom angetrieben zu werden, und die Spannung der. Feder A¹ veranlaßt die Schaufelfläche, sich unj ihre Drehachse zu drehen, bis sie. ihre andere Seite dem Flüssigkeitsstrom darbietet. Hie*-

durch wird die Schaufelfläche vollkommen umgelegt und gelangt in diejenige Stellung, welche in Abb. 3 mit vollen Linien dargestellt ist. Während des Umlegens der Schaufelfläche ist. die Feder A¹ vollkommen entspannt worden, während die Feder /z² bis zu ihrem Höchstwert gespannt ist und hierdurch die Größe der winkligen Verstellung der Schaufelfläche bestimmt.

Der Flüssigkeitsstrom, der auf die umgelegte Schaufelfläche d^l (Abb. 4) wirkt, fährt fort, die Welle α in dem gleichen Sinne anzutreiben, und zwar so lange, bis die Fläche d¹ dieselbe Stellung, erreicht hat, die in den Abb. ι und 2 die Schaufelfläche d² einnimmt. In diesem Moment ist die Schaufelflächen?¹ mit Unterstützung der Feder A³ bestrebt, sich parallel zu der Stromrichtung zu stellen. Gleichzeitig hört sie auf, Nutzarbeit zu leisten, jedoch ruft sie kein Drehmoment hervor, durch das die Drehbewegung der Welle gebremst werden könnte. In dem Maße, in dem sieh die Schaufelfläche der in Abb. 5 dargestellten Stellung näherr, wobei sie bei-

«5 spielsweise durch diejenige Stellung hindurchgeht, welche die Schaufelfläche d² in Abb. 3 einnimmt, entspannt sich zuerst die Feder Λ², dann erhalten die beiden Federn h², h¹ die gleiche Spannung, und schließlich wird die Feder A¹ bis zu ihrem Höchstwert gespannt, durch den die in Abb. S dargestellte Stellung bestimmt wird, in welcher die Schaufelfläche d¹ ihre wirksame Arbeitsperiode wieder beginnt.

Der Antrieb der Welle α durch die Fläche d¹ beginnt also, wenn sich das Gestellt in der in Ahb. 5 dargestellten Stellung befindet und dauert an, bis sich die Ebene des Gestelles in einer Stellung, ungefähr rechtwinklig zu

4S> der Strömungsrichtung χ befindet, nachdem das Gestell von der oben genannten Anfangsstellung an einen Bogen von 270⁰ beschrieben hat. Nur während eines Winkels von 360 — 270 = 90⁰ leistet die Schaufel d¹ keine Nutzarbeit.

Da zwei Schaufelflächen d¹ und d? vorhanden sind und da diese Flächen um i8o° gegeneinander versetzt sind, erhält man einen kontinuierlichen Antrieb der Welle α, welches auch immer die Richtung des Stromes je sei, der auf die oben beschriebene Einrichtung einwirkt.

Um die Welle« durch ein kräftigeres und gleichzeitig höchst regelmäßiges und gleichförmiges Drehmoment anzutreiben, genügt es, mehrere Gestelle längs der Welle β derart anzuordnen, daß ihre Ebenen gegeneinander je um einen geeigneten Winkel versetzt sind. Dieser Winkel beträgt beispielsweise bei zwei Gestellen 90°, bei drei Gestellen 6o° usw.

Das gleiche Resultat kann man erhalten, wenn man mehr als zwei Schaufelflächen auf dem gleichen Traggestell anordnet. Dabei müssen die Abmessungen des Traggestelles , und der einzelnen Schaufelflächen derart gewählt sein, daß die Stellungen der Schaufelflächen solche sind, daß keinen Moment eine gegenseitige Störung der beweglichen Schaufelflächen während des Betriebes der Maschine eintritt.

Wenn der Antriebsstrom keine dauernd gleichbleibende Richtung, sondern eine hin und her gehende Bewegung aufweist, wie dies z. B. bei den Wellen längs der Meeresküste und auf dem offenen Meere der Fall ist, stellen sich die Schaufehl dank ihrer gelenkigen Befestigung und gemäß der Wahl ihrer äußersten Stellung sowie wegen der Wirkung ihrer elastischen Halteglieder in jedem Moment derart ein, daß ein Antriebsmoment auf die eine oder die andere von ihnen ausgeübt wird. Infolgedessen wird die Welle« derart angetrieben, daß ihre Drehbewegung eine ständige ist und die Motorleistung ebenfalls ungefähr konstant bleibt.

Im folgenden wird eine weitere Ausbildung des Erfindungsgegenstandes dargestellt, welche im Zusammenhang mit den vorstehend geschilderten Einrichtungen besonders zweckmäßig ist, jedoch auch für sich benutzt werden kann. Gemäß der genannten weiteren Ausbildung der Erfindung wird die beschriebene Turbine mit Mitteln versehen, die geeignet sind, die Winkelgeschwindigkeit der Antriebswelle konstant zu halten, gleichgültig, welches die Strömungsgeschwindigkeit des Antriebsstromes ist. Die genannten Mittel können aus einem Regulator bestehen, der derart auf die Antriebsschaufeln, welche die Bewegung der Hauptwelle der Turbine herbeiführen, einwirkt, daß die Einstellung der genannten Schaufeln bzw. die äußersten Stellungen, welche die Schaufeln einnehmen können, in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit verändert werden, derart, daß die Periode, während der die Schaufeln dem Druck der Strömung ausgesetzt sind, verringert oder vergrößert wird, je nachdem die Geschwindigkeit des Antriebsstromes größer oder kleiner wird. Die Geschwindigkeitsregelung kann beispielsweise mittels eines Zentrifugalregulators geschehen, dessen Arme f¹, welche die Reglermassen tragen, an einem festen, von der Welle« mitgenommenen Ringet angelenkt sind, während die Steuerarme/³ die Hülsei tragen, an der die Federn h¹, h², h³ und /z⁴ befestigt sind. Die Folge davon ist, daß, wenn die Geschwindigkeit der Motorwelle steigt, die Reglermassen, indem sie sich von der Welle α entfernen, alle Federn um einen gewissen Betrag entspannen. Infolgedessen ist der Winkelweg des Ge-

steiles b, längs dem die Schaufelfläche rf¹ die in Abb. 5 dargestellte Stellung einnimmt, wesentlich größer als der Winkelweg, der bei den in Abb. 5 zugrunde gelegten Verhältnissen auftritt. Erst nach Zurücklegung dieses Winkelweges aber wird der Druck des Stromes auf die Antriebswelle α übertragen, da es wesentlich ist, daß in diesem Moment die Feder A³ vollkommen gespannt ist. Auf ,diese Weise hat die Entspannung der Federn durch den Geschwindigkeitsregler eine Verkürzung der Arbeitsperiode zur Folge.

Wenn sich die Geschwindigkeit der Turbine verringert, werden die Federn A¹ bis A^d stärker gespannt, wodurch infolgedessen die Dauer der Antriebsperiode erhöht wird.

Wie sich von selbst versteht und wie auch aus den vorstehenden Ausführungen hervorgeht, begrenzt sich die Erfindung keineswegs auf die beschriebenen Anwendungsarten und auch nicht auf die verschiedenen Einzelheiten der Ausführungsformen, die oben dargestellt sind. Die Erfindung umfaßt vielmehr zahlreiche Varianten, insbesondere kann die Turbine auch durch ein anderes Antriebsmedium, als es ein Fluß, oder ein Bach oder die Meereswellen sind, angetrieben werden. Zum Antrieb der Turbine kann beispielsweise ein beliebiger Flüssigkeits- oder Gasstrom dienen, insbesondere kommt auch ein natürlicher, künstlicher oder durch eine Relativbewegung erzeugter Wind in Frage. Ferner können auch die· Schaufeln von der vorstehend beschriebenen Flächenform abweichen und irgendein beliebiges anderes Profil besitzen. Schließlich können die Federn A¹ bis A* durch andere zur Energiewiedergewinnung dienende Organe, beispielsweise durch hydraulische oder pneumatische Kompressoren, ersetzt werden.

Claims (3)

1. Patentansprüche:

   i. Turbine, welche von einem Flüssigkeits- oder Gasstrom in Drehung versetzt wird und Schaufeln aufweist, welche in regelmäßig auf einer Zylinderoberfläche verteilten Punkten drehbar an einem Traggestell befestigt sind, das seinerseits von der Hauptwelle der Turbine gehalten wird, wobei sich jede Schaufel während der Drehung der Turbinenwellen zwischen zwei äußersten, durch Halteorgane bestimmten Stellungen einstellen kann, dadurch gekennzeichnet, daß die mit den Schaufeln verbundenen Halteorgane als Kraftspeicher ausgebildet sind, welche während der stärksten Impulswirkung des Antriebsstromes auf eine jede der Schaufeln Kraft aufspeichern und diese Kraft nachher wieder hergeben, um die betraffende Schaufel in die eine oder die andere ihrer Endstellungen zu überführen.
2. 2. Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehachse jeder Schaufel, zwei Querarme trägt, die geradlinig angeordnet sind und mit der Schaufelebene einen Winkel (7) einschließen, wobei die äußeren Enden der Querarme durch biegsame Organe, beispielsweise Seile, mit Kraftspeichern, wie Federn, hydraulischen oder pneumatischen Pumpen

   o. dgl., verbunden sind.
3. 3. Turbine nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftspeicher, beispielsweise die Federn (A¹, A², A⁸, A⁴) auf einer Hülse gelagert sind, die mit Hilfe eines an sich bekannten Geschwindigkeitsreglers auf der Turbinenachse (a) in axialer Richtung verschoben werden kann.

   Hierzu ι Blatt Zeichnungen

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