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Kolbenpumpe.
Vorliegende Anmeldung betrifft eine Kolbenpumpe, bei welcher sich in einem Gehäuse ein Rotor dreht, welcher parallel zu seiner Drehachse mehrere Kolbenbohrungen enthält und
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Es sind bereits solche Pumpen bekannt, bei welchen jede einen Kolben enthaltende Bohrung abwechselnd mit einem (im Gehäusedeckel oder in der Mantelfläche des Gehäuses befindlichen) Saug-und Druckkanal in Verbindung kommt, wobei die Kolben durch eine im
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Taumelscheibe mit Kugelgelenken oder kinematisch gleichwertigen Organen angetrieben werden.
Bei allen bekannten Kolbenpumpen dieser Art führen die Kolben eine Sinus-versusBewegung aus, so dass die Kolbengesehwindigkeitskurve eine Sinuslinie ist. Der Druckhub schliesst sich ohne Unterbrechung an den Saughub an, d. h. jeder. Kolben kommt nur in den Totlagen, bei der Umkehr seiner Bewegungsrichtung, zur Ruhe. Infolgedessen muss jeder Zylinder sofort nach Verlassen des Saugkanals, mit dem Druckkanal in Verbindung kommen, damit nicht grosse Unregelmässigkeiten der Fördermenge entstehen. Praktisch ist das jedoch nicht möglich, denn es ist eine gewisse Überdeckung zwischen dem Zylinder und den Steuerkanälen nötig, damit die Flüssigkeit nicht durch den Zylinder hindurch vom Druckkanal zum Saugkanal oder umgekehrt übertreten kann.
Diese Überdeckung muss aber möglichst gering gehalten werden, um unzulässige Unregelmässigkeiten der Fördermenge zu vermeiden, bei Spinnpumpen höchstens 1 M : w. Sie ist aber unvermeidlich und hat zur Folge, dass die Kanaleröffnung zu spät und der Kanalabschluss zu früh erfolgt, wodurch grosse Unregelmässigkeiten der Fördermenge entstehen.
Auch ist die Druckdichtigkeit der Steuerung solcher Pumpen mangelhaft, weil die Überdeckung zwischen Zylinder und Steuerkanälen zu klein ist. Das ist ein grosser Nachteil der Spinnpumpen mit Sinus-versus-Bewegung der Kolben.
Ein anderer Nachteil dieser Pumpen ist die Ungleichförmigkeit. Eine einigermassen genügende Gleichförmigkeit wird nur dadurch erreicht. dass man die Kolbenzahl vergrössert, so dass die Kolbenwege sich überdecken, wodurch ein gewisser Ausgleieh erzielt wird. Immerhin beträgt z. B. bei einer Fünfkolbenpumpe dieser Art die theoretische Ungleichförmigkeit im günstigsten Falle, welcher aber wegen der notwendigen Überdeckung nie erreicht werden kann, 511/0 der normalen Fördermenge. Um ganz gleichförmig zu sein, müsste eine derartige Pumpe unendlich viele Kolben haben können und sie dürfte keine Überdeckung haben.
Es sind auch Pumpen bekannt, bei welchen die Kolben so angetrieben werden, dass ihre Köpfe unmittelbar zwischen zwei ihnen einen axialen Hub erteilenden Scheiben (Axialhubscheiben) gleiten, wobei den Kolben entweder wie oben eine Sinus-versus-Bewegung erteilt wird, oder auch eine gleichförmige Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit, wobei die Be- schleunigung = 0 ist. Im ersten Falle sind die Nachteile die gleichen wie bei der ebenen schrägen Hubscheibe, im zweiten Falle wird wohl eine grössere Überdeckung erreicht, aber die Flüssigkeitsförderung erfolgt stossweise, weil es praktisch nicht möglich ist, die mit voller
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zwischen Kolben und Druckhubscheibe vollständig beseitigt.
Die Saughubseheibe 13 kann durch die Schraube 17 und die Stifte 18, zwischen welchen Druckfedern 33 eingelegt sind, gegen- über der Kurvenhubseheibe. 25 axial verstellt werden, um die Abnutzung auszugleichen.
Die Welle 4 hat einen kugelförmigen Wellenansatz 20 und durch die Feder 19 wird dieser gegen den Rotorteil 7 und letzterer gegen die Steuerfläche des Deckels 3 angedrückt, wobei die Feder 19 mittels eines Federtellers und einer Kugel am Deckel 2 abgestützt ist. Der Deckel 3 enthält an der Steuerfläche einen Saugkanal 24 und einen Druckkanal 25, und die einzelnen Zylinder des Rotorteiles 7 werden bei der Drehung abwechselnd mit diesen beiden Steuerkanälen in Verbindung gebracht. Der Rotor ist also zugleich Steuerorgan.
Die Flüssigkeit tritt bei : 21 in die Pumpe ein und gelangt durch die Kanäle 22 und 23 in den Saugkanal 24 und aus diesem in die Zylinder. Sie wird dann durch die Kolben in den Druckkanal 25 gedrückt und tritt durch den Kanal 26 bei 37' aus der Pumpe aus.
Dank der beschriebenen Anordnung des Kolbenantriebes werden die Kugelgelenke für die Rückbewegung (Saughub), welche sonst erforderlich sind, überflüssig. An deren Stelle sind
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Kurvenscheibe 13 gleiten.
Die Kolbenköpfe werden durch die in dem Rotor geführten und auf der Saughubscheibe auflaufenden Gleitklötze gegen die Druckbubscheibe mittelbar angedrückt, derart, dass jedes axiale Spiel zwischen beiden Hubscheiben vermieden ist, die Kolben aber nicht gehindert sind, sich radial der Kolbenführung entsprechend frei einzustellen.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 11 und 12 ist der Rotor 37'einteilig. Die Mitnehmer sind als Gleitschuhe. 30 ausgebildet, welche in gleicher Achse wie die Kolben in dem Rotor 37 geführt sind. Die Gleitklötze 31 sind hier mit Nasen 3. ? versehen, welche die Kolbenköpfe unmittelbar gegen die Gleitschuhe. 30 und letztere gegen die Druckhubscheibe. 28 andrücken. Im übrigen ist Anordnung und Wirkungsweise der Pumpe gleich wie bei der ersten Ausführungsform. Die Gleitschuhe 30 könnten bei dieser Ausführung auch weggelassen werden, in welchem Fall die Kolbenköpfe unmittelbar auf der Drnckhubscheibe : 28 gleiten würden.
Hier werden die Kolbenköpfe durch die in dem Rotor geführten und auf der Saughubscheibe auflaufenden Gleitklötze gegen die Druckhubscheibe mittelbar oder unmittelbar angedrückt, derart, dass jedes axiale Spiel zwischen beiden Hubscheiben vermieden ist, die Kolben aber nicht gehindert sind, sich der Zylinderbohrung entsprechend radial frei ein- zustellen.
Bei allen beschriebenen Ausführungsformen können sich die in ihrer Zylinderbohrung geführten Kolben zu den auf sie einwirkenden Antriebsorganen radial nach allen Richtungen frei einstellen, weil die Kolbenköpfe zwischen diesen Organen nur mit der Kolbenkraft eingeklemmt und in radialer Richtung frei beweglich sind. Sie sind somit durch die in dem Rotor geführten Gleitklötze, Gleitschuhe und Mitnehmer von seitlichen Kräften entlastet, wodurch Kolben und Zylinderbohrungen geschont werden.
Bei der Rückbewegung (Saughub) der Kolben kommt es nur darauf an, dass die Kolben den ganzen Hub ausführen, damit die Fördermenge vollständig ist. Nach welchem Gesetz die Saug-
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hub keinen Einfluss auf die Gleichförmigkeit der Pumpe hat. Es genügt somit, wenn die Kolben am Ende des Saughubes gegen die Druckhubscheibe mittelbar oder unmittelbar angedrückt werden.
Wenn die axialen Kurvenhubscheiben so ausgebildet werden, dass sie den Kolben eine gleichmässig beschleunigte und gleichmässig verzögerte Bewegung erteilen, dann wird der Nachteil der geringen Überdeckung beseitigt und die Druckdichtigkeit wird bedeutend verbessert.
Die Kolbengeschwindigkeitskurve ist dann eine zur Zeitachse geneigte gerade Linie und die Kolbenwegkurve eine Parabel.
Bei der Fünfkolbenpumpe z. B. stellen immer ein oder zwei Kolben zusammen im Druckhub, während ein oder zwei Kolben zusammen saugen und ein oder zwei Kolben stillstehen. Jeder Kolben wird hiebei über einen Umdrehungswinkel der Antriebswelle von 72
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Die Summe der Geschwindigkeiten der beiden drückenden Kolben bleibt immer gleich, so dass die Fördermenge konstant ist. Der Druckhub erstreckt sich über 144 und der Saughub ebenfalls über 144 , so dass zwischen Ende des Saughubes und Beginn des Drnckhubes sowie zwischen Ende des Druckhubes und Beginn des Saughubes ein Spielraum (Entfernung der Kanalenden minus Zylinderdurchmesser) von je 36 verbleibt, in welchem der Kolben stillsteht.
Dieser Spielraum von 3 (j ermöglicht eine sein'grosse Überdeckung, so dass die Druck-
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dichtigkeit der Steuerung ganz bedeutend erhöht wird, im Gegensatz zu den Pumpen mit Sinusversus-Bewegung der Kolben, bei welchen die Überdeckung so klein wie möglich sein muss, um grosse Unregelmässigkeiten der Fördermenge zu vermeiden.
Der Spielraum zwischen den Kanalenden kann noch vergrössert werden, indem man die Saugkurve verkürzt, was ohne weiteres möglich ist, denn die Saugkurve bzw. die Saug-
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den Abstand zwischen Zylinderöffnung und Steuerkanalenden bei einem in der Mitte zwischen den beiden Steuerkanälen stehenden Zylinder. Bei einer Pumpe mit ebener Schrägscheibe, welche den Kolben eine Sinus-versus-Bewegung erteilt, müsste nun diese Überdeckung möglichst klein gehalten werden. 11m Undichtigkeiten und hieraus resultierende Unregelmässigkeiten zu vermeiden.
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versus-Bewegung erteilen wurde, in gleicher Weise wie eine ebene Schrägscheibe, so wäre auch hier die Überdeckung, wie Fig. 4 zeigt, sehr klein und die Druckdichtigkeit dementsprechend gering.
Wenn aber die Kurvenscheibe so ausgebildet wird, dass sie den Kolben eine gleichmässig beschleunigte und verzögerte Bewegung erteilt, so dass die Kolbenwegkurve eine Parabel ist, so kann die Überdeckung ag, wie Fig. 3 zeigt, viel grösser sein, u. zw. bei einer Fünfkolbenpumpe 18 , wodurch die Druckdichtigkeit erheblich erhöht wird. Bei einer derartigen Ausbildung der axialen Druckkurvenscheibe ist jedoch eine zwangläuilge Kolbenbewegung in beiden Richtungen nur dann möglich, wenn für die Rückbewegung- der Kolben ebenfalls eine axiale Hubkurvenscheibe gemäss Fig. 7 und 8 verwendet wird.
Wenn jedoch in bekannter Weise die Kolben durch Federn, also rein kraftschlüssig. zurückbewegt würden, so käme dies, von den durch die Verwendung der Federn bedingten Nachteilen abgesehen, grundsätzlich auf das gleiche heraus, da hiebei ebenfalls der Vorteil einer solchen Hubkurvenscheibe mitverwendet würde.
Die axiale Druckkurvenhubscheibe mit gleichmässig beschleunigter Bewegung, durch welche sich somit eine parabelförmige Zeit-Weg-Kurve der Kolbenbewegung ergibt, bringt ausserdem noch den grossen Vorteil mit sich, dass die Regelmässigkeit der Fördermenge vollkommen wird, u. zw. einerseits, weil das Bewegungsgesetz der Kolben in sich eine vollkommene Regelmässigkeit ergibt, wie aus den beigefügten Diagrammen Fig. 13-16 ersichtlich, und anderseits, weil jeder Zylinder im Augenblick, wo der Druckhub beginnt, schon mit dem Druckkanal in Verbindung ist und nicht erst eine gewisse Zeit nach dem Beginn des
Druckhubes.
Auch wenn man auf die parabelförmige Bewegung der Kolben verzichtet und für den Druckhub eine gewöhnliche ebene geneigte Hubscheibe verwendet, so ergeben die konstruktiven Einzelheiten, welche ebenfalls Gegenstand der Erfindung bilden, einen bedeutenden technischen Fortschritt, nämlich die Beseitigung des axialen Spieles der Kolben zwischen beiden Hubscheiben und der seitlichen Kräfte auf die Kolben.
Zu den Diagrammen Fig. 13-16 sei folgendes erklärt :
Die Geschwindigkeiten der Kolben im Druckhub sind für die Fördermenge massgebend, u. zw. muss die Summe der Geschwindigkeiten der drückenden Kolben unveränderlich sein, damit die ausfliessende Flüssigkeitsmenge unveränderlich ist. Das ist der Fall, wenn die Ge- schwindigkeitskurve eine zur Zeitachse geneigte Gerade ist, denn die Summe der Geschwindigkeit von je zwei zusammendrückenden Kolben ist unveränderlich. Es arbeiten immer nur ein bis zwei Kolben im Druckhub und ein bis zwei Kolben im Saughub, während ein bis zwei Kolben stillstehen.
Da die Geschwindigkeit der Kolben gleichmässig zunimmt, so ist die Beschleunigung p unveränderlich, d. h. eine zur Zeitaxe parallele Gerade.
Die gleichmässig zu-und abnehmende Geschwindigkeit kann nur durch die Parabel als Zeit-Weg-Kurve erreicht werden. Die kinematischen Grundbedingungen für die Kolbenbewegung sind also :
1. Parabelbewegung,
2. gleichmässige Beschleunigung,
3. gleichmässig zu-und abnehmende Geschwindigkeit.
Dass diese Bedingungen verbunden miteinander beim Erfindungsgegenstand erfüllt sind, zeigen die beigefügten Diagramme.
Die Fig. 13 zeigt die Zeit-Weg-, Zeit-Geschwindigkeits-und Zeit-Beschleunigungs-Kurve fiu'das gewöhnliche Kurbelgetriebe mit unendlicher Stangenlänge.
Fig. 14 zeigt in kleinerem Massstab die Zeit-Beschleunigungs-Kurve der Fig. 13. wobei die negativen Werte vonp. wie es sein soll. unterhalb der Zeitachse gezeichnet sind. was
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und negativen Werte von p durch +-bezeichnet.
Die Fig. 15 zeigt die Kurven für die gleichförmig zunehmende und abnehmende Geschwindigkeit, welche für den Erfindungsgegenstand in Frage kommt.
In Fig. 13 sind ZGK. und ZBK. nur für den Druckhub gezeichnet, auf den es allein ankommt. Die ZWK. ist ganz dargestellt, also Druck nnd Saughub. Die ZWK. und die ZBK. sind nur für einen Kolben gezeichnet, während die ZGK., auf die es ankommt, für die andern vier Kolben gestrichelt gezeichnet sind. Nach je 720 beginnt ein neuer Kolben zu drücken. Man sieht, dass jeder Kolben vou 0 bis 360 in Bewegung ist ZWK.), also ohne Unterbrechung in den Totlagen, was die sehr kleine Überdeckung der Steuerung bedingt. Man sieht auch, was übrigens allgemein bekannt ist, dass die Geschwindigkeiten der drückenden Kolben addiert (rankinisiert) eine Wellenlinie ergeben müssen, also eine ungleichförmige Fördermenge.
In Fig. 15 ist die ZWK. für Druck-und Saughub gezeichnet. ZBK. und ZGK. sind nur für den Druckhub gezeichnet. Die ZGK., auf die es ankommt, ist wie bei Fig. 13 für vier Kolben gestrichelt gezeichnet, und ZBK., welche parallel zur Zeitachse ist, kann für alle Kolben gelten. Nach je 720 beginnt ein neuer Kolben zu drücken, während der vorhergehende, seine grösste Geschwindigkeit hat.
Man sieht, dass in beiden Totlagen jeder Kolben während 36 stillsteht, was die in der Beschreibung erwähnte grosse Steuerüberdeckung ermöglicht.
Man sieht auch, dass die Addition der Geschwindigkeiten je zweier zusammendrückender Kolben eine gleichförmige Geschwindigkeit ergibt, deren Kurve in der Zeichnung mit der ZBK. zusammenfällt, weil der Massstab entsprechend gewählt ist. Das schraffierte Dreieck, welches von den sich überdeckenden Geschwindigkeiten zweier Kolben gebildet wird, füllt genau das darüber befindliche leere Dreieck aus.
In beiden Fig. 13 und 15 sind die Massstäbe so gewählt,dassSjnax;Pmaxundc;;,x für einen Kolben gleich gross sind.
In Fig. 13 ist 11 (1cossa), also Sinus-versus-Bewegung.
In Fig. 14 muss die Parabel punktweise konstruiert werden.
Die ZWK. ergibt in beiden Figuren die Kolbenstellungen. Übrigens sind nur die Geschwindigkeiten und nicht die Kolbenstellungen für die Fordermenge massgebend.
In Fig. 16 ist die Abwicklung der Druckkurve I, der Kolbentrommel II und der Steuerkanäle D und S im Körepr III schematisch dargestellt. D ist der Druckkanal und 8 der Saugkanal. Darüber ist das Kolbengeschwindigkeitsdiagramm gezeichnet. Die Saugkurve ist nicht angegeben, da sie naturgemäss genau so verläuft wie die Druckkurve, d. Ih äquidistant zu derselben. I und 111 stehen still, 11 bewegt sich auf der Zeichnung nach rechts.
Bei 0'hat der Kolben 1 die Geschwindigkeit 0, bei 72 hat der Kolben 2 die grösste Geschwindigkeit e, welche der normalen Fördermenge entspricht. Bei 1440 hat der Kolben 3 die Geschwindigkeit 0. In dieser Stellung der Kolbentrommel fördert also nur ein Kolben in die Druckleitung, nämlich Kolben 2. Wenn sich die Trommel II weiterdreht, dann fördern zusammen die Kolben 1 und 2, u. zw. so, dass die Summe ihrer Geschwindigkeiten immer konstant und der Geschwindigkeit c gleich ist, weil die beiden Gesehwindigkeitsdreieeke A und B kongruent sind. Wenn z. B.
Kolben 1 bei 360 steht, so steht Kolben. 2 bei 108 , und beide fördern mit der Geschwindigkeit c/2. Die Geschwindigkeit eines jeden Kolbens nimmt im selben Verhältnis ab, wie die Geschwindigkeit des andern zunimmt. Der Zwischenraum (doppelte Überdeckung) zwischen den Steuerkanälen ist 36 . Bei 0'hat der Kolben 1
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Bei Pumpen nach vorliegender Erfindung muss dafür gesorgt sein, dass wenigstens am Ende des Saughubes die Kolben ohne axiales Spiel zwischen den beiden Hubscheiben geführt sind, damit der ganze unveränderliche Kolbendruckhuh gesichert ist. Werden die bekannten Mitnehmer und Gleitschuhe verwendet, so müssen dieselben wenigstens am Ende des Saughubes durch die beiden Hubscheiben mit den Kolben ohne gegenseitiges Spiel zusammengehalten werden.
Die Verwendung der bekannten Steuerung durch Steuerkanäle in der Mantelfläche des Gehäuses anstatt in der Planfläche des Lagerdeckels würde an dem Wesen der Erfindung nichts ändern.
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