EP0209522B1 - Vorrichtung zum erzeugen einer gerichteten flüssigkeitsströmung - Google Patents
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- B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
- B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
- B63H1/00—Propulsive elements directly acting on water
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Definitions
- the present invention relates to a device for generating directed liquid flows, whether these liquids are pure substances, solutions or mixtures of different liquids, suspensions, liquors or fluids of a similar nature.
- Devices for generating directed liquid flows are known in large numbers and are distributed over a wide variety of classes of devices and are used for a wide variety of purposes. Two groups can be distinguished in terms of their intended use: Either the liquid is set in motion by the device and the device remains essentially stationary, then these are pump devices; or the device is mounted on a carrier device that is movable with respect to the liquid, as a rule both the liquid and the carrier device are set in motion, then it is a matter of propelling a watercraft.
- Similar devices are used for both purposes - for pumping liquids and for driving watercraft: propellers and screws of various designs, but also mill wheel-like devices with paddles that are immersed in the liquid.
- paddlewheel-type drive devices whether for liquid delivery or if they are used as vehicle drives, some of the disadvantages of propellers or screws are eliminated, but such drive devices are generally very large, and due to their approximately uniform movement through the liquid, the momentum transmission or change is momentum , which causes the propulsive force, is relatively small.
- the object of the present invention is to provide a device for generating a directed liquid flow, which causes the greatest possible change in momentum in a given direction in the surrounding liquid and thereby generates a minimum of hot water.
- the 1 consists of a base plate 1, in which two parallel shafts 2, 3 are rotatably mounted. At the end points A and D of the shafts 2, 3 there are two joints 4, 5, the axes of which are perpendicular to one another in this rotational position of the shafts 2, 3; the extension of the axis of the joint 5 goes through the end point A.
- the end points A, D are the intersection points of the axes of the shafts 2, 3 with the axes of the joints 4, 5.
- a bow-shaped support 6, 7 is pivotally mounted; a shaft 8, 9 runs through the ends of these bow-shaped supports 6, 7, the axes of which are perpendicular to the axes of the joints 4 and 5, respectively. So that the axes of the shafts 8, 9 are perpendicular to each other.
- the shafts 8, 9 run through a double paddle-shaped body 10 in which they are rotatably mounted.
- a similar joint configuration is known from CH-PS-216 760, where the device carries a hollow body for receiving, for example, mix.
- Fig. 2 shows the floor plan of the same embodiment as Fig. 1 in the same position of the body 10. This is divided into two paddle-shaped parts 11, 12 which lie in two mutually perpendicular planes, the trace of these planes the longitudinal axis 21 of Forms body 10 and runs through points B and C.
- the rotary movements of the two shafts 2, 3 run in opposite directions with the angular velocities or w 2 , which are both non-uniform, have a phase shift of n / 2 against one another and have two maximum and two minimum values during a full revolution, which are in a ratio of 2: 1 stand.
- part 12 of the body 10 describes a rapid paddle movement towards the viewer, while part 11 of the body 10 moves away from the viewer with a slow movement.
- part 11 has swiveled to the top left and is now moving toward the viewer with an accelerated movement, while part 12 is located at the bottom right and is moving away from the viewer.
- the shape of the body 10 according to the invention results in maximum flow resistance in the position and movement of the part 12 according to FIG. 1 and minimum flow resistance in the movement and position of the part 11.
- FIG. 2 The direction of movement in the position according to FIGS. 1 and 2 is indicated in FIG. 2 by arrows v "v 2 .
- FIG 3 shows the body 10 as seen from point A.
- the two parts 11, 12 are perpendicular to each other.
- FIGS. 4, 5 shows a second exemplary embodiment according to the invention. While the basic elements of the construction, namely the joint configuration, are the same as in FIGS. 1, 2, here the body 10 is replaced by a body 14; Furthermore, the bow-shaped body 6, 7 are designed so that they support and support the shafts 8, 9 on both sides.
- the body 14 is in turn divided into two mutually perpendicular, essentially flat parts 15, 16, the transition 17 of which represents a twisted surface.
- 6 again shows the body 14 from point A.
- the mutually perpendicular parts 15, 16 and their transition 17 can be seen.
- a variant, not shown, for the exemplary embodiment according to FIGS. 4, 5, 6 contains a body 14, which in its entirety represents a twisted surface which can be screwed through a straight line around the Longitudinal axis 21 of the body 14 is generated.
- a sub-variant of this includes a body 14, which is created by screwing an arc, for example an ellipse section around the longitudinal axis 2, of the body 14.
- a body 18 is present.
- This body 18 is a spatial structure, encased by a control surface that spans between two ellipses 19, 20.
- the two ellipses 19, 20 are perpendicular to each other and penetrate each other. Their intersection lines lie in the longitudinal axis 21 of the body.
- the control surface is formed by a family of straight lines which run between these ellipses and in each case between the points of contact of the ellipses 19, 20 with a plane on which they are rolled.
- the waves 8, 9 run through the centers of the ellipses 19, 20.
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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.
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