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Kolbenpumpe oder-motor
Die Erfindung betrifft Kolbenpumpen oder-motoren, besonders solche mit drei oder mehr Zylindern.
Der Begriff "Kolben" soll hiebei mit allgemeiner Bedeutung verstanden sein, d. h. auch Plunger und Membranen umfassen. Aufgabe der Erfindung ist es, Kolbenpumpen oder-motoren zu schaffen, die pulsationsfrei und mit einer konstanten Winkelgeschwindigkeit arbeiten.
Kolben- bzw. Plunger- oder Membranpumpen bzw.-motoren besitzen einen besonderen Nachteil. Sie fördern die Flüssigkeit auf derart unregelmässige Weise, dass man oft diese Übelstände zu fühlen bekommt. Die Pulsationserscheinung hat zur Folge, dass man die Leistung der Pumpe nicht mit Strömungsmessern kontrollieren kann. Ferner muss man oft weitere Leitungen anwenden, als es sonst erforderlich gewesen wäre, wobei im übrigen die Pulsation noch zu unangenehmen Erscheinungen führen kann.
Vor allem bei langen Leitungen können Schläge auftreten, und diese Druckstösse führen oft zu einem Lecken der Stopfbuchsen der Pumpen. Ausserdem werden der Antriebsmotor und das Getriebe stossweise belastet. Um die Pulsation einzuschränken, ohne dass man jedoch diese ganz verhindern kann, verwen- det man Windkessel oder auch Pumpenanlagen, die mit mehreren Einzelpumpen (bis zu 9 Stück) ausgerüstet sind. Die Verwendung von Windkesseln ist jedoch in vielen Fällen unbequem, und Pumpenanlagen mit vielen Einzelpumpen sind teuer.
Die Herstellung einer Kolbenpumpe mit einer vollkommen gleichmässigen Strömung in der Saugund Druckleitung, wie dies bei einer Zentrifugalpumpe der Fall ist, scheint auf den ersten Blick eine Utopie. Die Industrie fordert jedoch dringend Kolbenpumpen dieser Art, und dass diese nichts destoweniger bisher nicht auf dem Markt erschienen sind, kann als Beweis für die Neuheit der Erfindung gelten,
Es sind bereits Versuche unternommen worden, um pulsationsfreie Plunger-Pumpen herzustellen.
Dies bezog sich aber lediglich auf die Druckleitung der Pumpe, und die Pulsationsfreiheit in dieser wurde erreicht auf Kosten der Vorgänge in der Saugleitung. Die besagte Konstruktion betraf eine Kurvenscheibe, welche zwei Plungerkolben antrieb. Durch richtige Berechnung der Kurvenscheibe wird in der Tat eine pulsationsfreie Strömung in der Druckleitung erreicht. In der Saugleitung entsteht dann jedoch eine sehr heftige Pulsation, wobei die Flüssigkeit in regelmässigen Zeitabständen sogar gänzlich stillsteht, um dann plötzlich stossweise wieder beschleunigt zu werden bzw. gänzlich zum Stillstand zu kommen. Es versteht sich von selbst, dass derartige Pumpen lediglich bei sehr kurzen Saugleitungen und nur bei einem beträchtlichen hohen Gegendruck nützliche Verwendung finden können.
Der Gedanke der Erfindung besteht darin, die speziellen Eigenheiten von Kolbenpumpen bzw.-mo- toren, nämlich die pulsierende Förderung, dadurch zu beseitigen, dass bei einer Kolbenpumpe oder einem Kolbenmotor mit drei oder mehr Zylindern zwischen der Kurbelwelle und der Welle des Antriebsmotors ein Bewegungswandler eingeschaltet ist, der der gleichmässigen Umlaufbewegung des Antriebsmotors eine oszillierende Bewegung überlagert.
Bei der nun folgenden genaueren Erläuterung der Erfindung wird die sich dabei ergebende Kurbelbewegung als"modulierte Bewegung"bezeichnet. Um deutlich zu machen, was unter einer modulierten Antriebsart zu verstehen ist, stelle man sich eine Pumpe mit drei oder mehr Zylindern vor, deren Ven-
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tile zwangsläufig gesteuert werden. Eine derartige Pumpe kann auch als hydraulischer Motor fungieren.
Leitet man nämlich einen vollkommen gleichmässigen, also nicht pulsierenden Flüssigkeitsstrom durch diese Pumpe, so wird die Kurbelwelle in Drehung kommen. Diese Drehung erfolgt jedoch dann nicht gleichmässig, sondern sie führt gegenüber einer gleichmässigen Drehbewegung zu Schwingungen mit be- stimmterAmplitude. Dieselbe nicht gleichmässige Bewegung übertragen wir jetzt auf die Kurbelwelle der Maschine, die nun wieder als Pumpe fungiert.
Das Ergebnis ist dann ein pulsationsfreies Arbeiten der Pumpe. Die hier beabsichtigte nicht gleichmässige Antriebsart der Kurbelwelle, die im folgenden noch näher analytisch untersucht wird, soll als modulierter Antrieb bezeichnet werden. Es handelt sich um eine Antriebsart der Kurbelwelle, bei welcher die Massenträgheit der Flüssigkeit in der Saug- und Druckleitung keine Rückwirkung auf den Antrieb ausübt. Die mathematische Ausarbeitung dieser Entdeckung liegt der Erfindung zugrunde.
Der Gedanke der Erfindung ist weiterhin folgender : man stelle sich eine Pumpe mit drei oder mehr Zylindern vor, die durch einen gleichmässig umlaufenden Motor angetrieben wird, wobei dessen Tourenzahl durch eine Zahnradübertragung od. dgl. entsprechend vermindert wird. An geeigneter Stelle dieses Getriebes oder an dessen Ende bringt man nun eine noch näher zu beschreibende Einrichtung an, die man als Modulator bezeichnen kann. Dieser Modulator setzt die gleichmässige Drehbewegung in eine modulierte, im oben beschriebenen Sinne, um. Man erreicht dann, dass die Pumpe sowohl in der Saugals auch in der Druckleitung pulsationsfrei arbeitet.
Infolge der gleichmässigen Strömung weist eine mit einem Modulator ausgerüstete Pumpe einen sehr gleichmässigen Gang auf und kann daher schneller laufen als eine normal angetriebene Pumpe.
An Hand der Zeichnungen werden nun Ausführungsbeispiele und deren Wirkungsweise erläutert. Es zeigen die Fig. 1, 2 und 3 zwei Ausführungsformen der Erfindung, die Fig. 4 - 7 Diagramme zur Erläuterung der Wirkungsweise und die Fig. 8 und 9 eine dritte Ausführungsform.
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belarm 6 ist mit dem ersteren im Drehpunkt 9 verbunden, während anderseits am Arm 6 eine Kurvenrolle 3 angebracht ist. Diese Kurvenrolle bewegt sich in der Kurve 2 der feststehenden Kurvenscheibe 1. Die Kurve 2 ist kreisförmig gezeichnet, da die Abweichungen von der Kreisform so gering sind, dass es schwierig ist, diese zu zeichnen. Für das Verständnis der Erfindung dürf- te dies jedoch nicht stören. Auf dem Arm 6 ist ferner ein Drehzapfen 101 angeordnet, an dem sich ein in dem Arm 7 geführter Gleitstein 10" befindet.
Bei gleichmässiger Drehung des antreibenden Hebelarmes 5 führt nun die Kurvenrolle 3 eine Schwingbewegung aus, die über den Arm 6 und den Zapfen 101 dem Arm 7 mitgeteilt wird, welcher durch die Achse 4 mit der Kurbelwelle verbunden ist. Die Kurbelwelle dreht sich infolge dessen mit einer Winkelgeschwindigkeit, welche Schwankungen ausführt im Hinblick auf die gleichmässige Drehbewegung des Hebelarmes 5.
Eine andere Ausführungsform des Modulators ist aus den Fig. 2 und 3 ersichtlich. Hier ist der Modulator in einer Zahnradübertragung angeordnet, welche die Drehgeschwindigkeit verlangsamt. Das Zahnrad 8 steht fest, und ein Planetenarm 5 mit den Zahnrädern 14 und 11, welche mit Hilfe der Achse 10 mit dem Planetenarm verbunden sind, bewegt sich um das Zahnrad 8 herum. Das Zahnrad 12 ist durch die Achse 13 mit dem antreibenden Motor verbunden. Die Kurvenscheibe 1 ist ihrerseits fest mit dem Zahnrad 14 verbunden, Die Kurvenrolle 3 wird in der Kurve 2 geführt, wodurch der Arm 7 und die Achse 4 die gewünschte nicht gleichförmige Rotationsbewegung erhalten.
Selbstverständlich sind auch noch andere Konstruktionen des Modulators möglich. So kann z. B. in der die Drehbewegung verlangsamenden Zahnradübertragung ein Planetengetriebe angeordnet werden. Der Planetenarm mit dem Planetenrad bewegt sich dann nicht im Kreise, sondern führt eine erzwungene Schwingbewegung um eine feste Mittelstellung herum aus. Die Schwingbewegung kann beispielsweise durch eine richtig berechnete Kurvenscheibe vorgeschrieben sein.
Die Berechnung der Modulationskurve wird im folgenden für eine Pumpe mit drei und vier Zylindern gegeben. Im voraus sei bemerkt, dass die folgenden Ausführungen an einige einschränkende Voraussetzungen geknüpft sind. Eine davon ist, soweit es sich um Pumpen mit ungerader Zylinderzahl handelt, die, dass das Verhältnis von Pleuellänge zum Kurbelradius unendlich sein muss, wie es z. B. bei einer Kurbelschleife der Fall ist.
Fig. 4 zeigt drei Kurbeln einer Triplex-Pumpe, die miteinander einen Winkel von 1200 bilden, Es sind hiebei zwei Phasen zu betrachten, die jedesmal einen Winkel von 600 umfassen. In der ersten
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Phase befindet sich während des Druckhubes eine Kurbel in Arbeitsstellung ; in der zweiten Phase handelt es sich um zwei Kurbeln. Dasselbe gilt im folgenden auch für den Saughub. Die Kurbeln, welche die modulierte Rotation ausführen, sind mit vollen Linien gezeichnet und schwingen in bezug auf gleichförmig umlaufende Kurbeln hin und her, die gestrichelt dargestellt sind. Die moduliert umlaufenden Kurbeln eilen in den Zeichnungen um den Winkel a vor. Die gleichförmig umlaufenden Kurbeln sollen hier lediglich als Vergleichsbasis dienen.
Der Winkel der gleichförmigen Bewegung ist < . Man kann cP als Zeitparameter betrachten, wobei cP tut ist. Hierin ist CL ! die konstante Winkelgeschwindigkeit und t die Zeit. Setzt man als Länge der Kurbeln den Wert 1 und stellt man ferner die Forderung, dass für die erste Phase der Weg des im Druckhub befindlichen Kolbens linear mit der Zeit verläuft, also mit dem Wert CP, so folgt daraus, dass folgende Beziehung zwischen a und (P besteht :
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Dieselbe Beziehung gilt auch für die Summe der Kolbenwege in der zweiten Phase. Die Beziehung ist einfach aus den Zeichnungen abzuleiten.
Eine wiederholte Differenzierung der Gleichung (1) ergibt folgendes :
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Hieraus können der Winkel et, die Winkelgeschwindigkeit und die Winkelbeschleunigung der modulierten Kurbelbewegung als Funktion von (P, d. h. als Funktion der Zeit berechnet werden.
Nach der Gleichung (1) sind eine Anzahl Werte berechnet und in Fig. 5 zeichnerisch dargestellt.
Längs der Abszisse sind die Werte für cp aufgetragen und längs der Ordinate die zugehörigen Werte für oc ; der Deutlichkeit halber sind die Skalenwerte für et gegenüber denjenigen für (P stark vergrö- ssert. Diese aus der Gleichung (1) erhältliche Kurve ergibt eine kontinuierlich verlaufende Wellenlinie.
Der maximale Wert von ex ist 0, 00947 rad, der Minimalwert ist-0, 00947 rad. Dies ergibt eine Winkelamplitudevonrund 0, 019 rad, was einem Betrag von 19 mm bei einem Radius von 1 m entspricht. Die
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Die Kurve gilt innerhalb eines Gebietes von 600 und muss daher sechsmal auf die Kurvenscheibe in Fig. 1 aufgebracht werden. Selbstverständlich müssen die berechneten Werte im Verhältnis der Hebelverhältnisse des Armes 6 in Fig. 1 vergrössert werden. Aus Gleichung (1) können somit alleAbgabenberech- net werden, die für die Verwirklichung der Erfindung nötig sind. Aus den Gleichungen (2) und (3) folgen alle Angaben über die auftretenden Geschwindigkeiten und Beschleunigungen, an Hand deren die Belastungen der verschiedenen Maschinenteile und der ganzen Einrichtung berechnet werden können.
Die durch das Arbeiten des Modulators auftretenden Beschleunigungen und Verzögerungen und die dadurch auftretenden Massenkräfte sind gering und haben keinerlei Bedeutung im Verhältnis zu den Massenkräften, die die Pulsation bei einem in üblicher Weise angetriebenen Pumpenmechanismus auslöst,
Fig. 6 zeigt vier moduliert und vier gleichförmig umlaufende Kurbeln einer Pumpe mit vier Zylindern. Die Kurbeln bilden einen Winkel von 900 miteinander. Aus der Figur lässt sich ableiten, dass die Bewegungen, die die moduliert umlaufenden Kurbeln ausführen, folgender Gleichung genügen müssen :
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Die Gleichung gilt zwischen den Werten ci = 450 und (P = 135 , also über einen Winkelbereich von 90 .
Die wiederholte Differenzierung ergibt
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Auch hier können die auftretenden Geschwindigkeiten aus der Gleichung (5) und die Beschleunigung aus der Gleichung (ti) für alle Werte von cp berechnet werden. In Fig. 7 ist wieder a als Funktion von 'auf Grund einer genügenden Anzahl berechneter Werte gezeichnet. Die Skalenwerte von oc sind stark vergrössert gegenüber den Werten von cp. Da die Kurve ein Gebiet von 900 umfasst, muss sie vier- mal auf die Kurvenscheibe übertragen werden. Eine solche Vierzylinderpumpe kann auch mit Pleuelstangen ausgerüstet werden, was mit der Tatsache zusammenhängt, dass die Kolben eine Phasenverschiebung von 90 aufweisen.
Die hiebei auftretenden Abweichungen von der exakten Lösung sind für die Praxis zu vernachlässigen.
Die Fig. t'und 9 zeigen eine Bauweise einer Vierzylinderpumpe, bei der die Zylinder zu zwei und zwei gegenüber angeordnet sind und durch Kurbelschleifen angetrieben werden. Die Pumpekann natürlich auch mit zwei doppeltwirkenden Zylindern ausgestattet sein.
Der Gedanke der Erfindung kann auch durch Pumpanlagen mit mehr als vier Zylindern verwirklicht werden. Eine solche Einrichtung kann nützlich sein, wenn die geforderte Kapazität für vier Zylinder zu
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se dann, wenn sehr hohe Förderdrücke benötigt werden. Der Gedanke gemäss der Erfindung ist auch auf Membranpumpen anwendbar, wie sich von selbst versteht.
Die Erfindung hat auch abgesehen von Pumpen Bedeutung für hydraulische Kolbenmotoren. Wenn man nämlich einem hydraulischen Kolbenmotor mit drei oder mehr Kolben einen gleichmässigen Flüssigkeitsstrom zuführt, werden sich die Kurbelwellen des Motors gleichmässig drehen, wenn dieser mit einer Einrichtung gemäss der Erfindung ausgerüstet ist. Andernfalls liefert der Motor keine gleichmässi- ge Bewegung der Kurbelwelle, was für viele Zwecke sehr unangenehm ist.
Ebenso wie die in üblicher Weise angetriebenen Kolbenpumpen kann eine Pumpenanlage gemäss der Erfindung mit einem verstellbaren Exzenter versehen sein, so dass die Hublängen aller Kolben verändert werden können.
Somit kann die Fördermenge einer Pumpe nach Belieben eingestellt werden, wobei dennoch ein pulsationsfreies Arbeiten erhalten bleibt. Auf diese Weise erzielt man somit eine pulsationsfreie Dosierpumpe. Für die hydraulische Übertragung von Leistungen können zwei Kolbenmaschinen gemäss der Erfindung angewendet werden, von denen die eine mit verstellbaren Exzentern ausgerüstet sein kann. Eine dieser Kolbenmaschinen wird beispielsweise durch einen Elektromotor angetrieben und liefert den hy- draulischen Druck für die andere Kolbenmaschine, die als hydraulischer Motor fungiert Durch Verstellen der Exzenter kann man die Tourenzahl des hydraulischen Motors nach Belieben einstellen.
Bei sehr hohem Druck beginnt die Elastizität der Flüssigkeit eine Rolle zu spielen, Beim Beginn des Druckhubes wird dann die Flüssigkeit nicht unmittelbar durch die Ventilklappe gedrückt, vielmehr geschieht dies erst, nachdem die Flüssigkeit hinlänglich zusammengedrückt ist. Ebenso wird die Flüssig- keit nicht unmittelbar bei Beginn des Saughubes angesaugt, sondern erst nachdem die Flüssigkeit sich in entsprechendem Masse ausgedehnt hat. Diese Erscheinung kann für das pulsationsfreie Arbeiten der Pumpe ein Hindernis bilden. Es ist jedoch einzusehen, dass eine zweckmässige Modifizierung der Kur- ve im Modulator hier der gegebene Weg ist, die Schwierigkeiten zu beseitigen.
Entsprechend dem Gedanken der Erfindung können bomit auch Pumpen für sehr hohe Drücke pulsationsfrei gemacht werden, sei es dann, dass die erreichte Kompensation nur bei ein und demselben Druck wirksam ist.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Kolbenpumpe oder-motor mitdrei odermehrZylindern, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Kurbelwelle und der Welle des Antriebsmotors ein Bewegungswandler eingeschaltet ist, der der gleichmässigen Umlaufbewegung des Antriebsmotors eine oszillierende Bewegung überlagert.