Drehkolbenpumpe Die Erfindung betrifft eine Drehkolbenpumpe, etwa für dicke Suspensionen, beispielsweise Faser- stoffgemische füz die Papierherstellung mit einem Flockengehalt von etwa 10 bis 201/u.
Durch die Erfindung soll eine zweckmässige Pumpe angegeben werden, die sich zum Pumpen von Papierfasermasse oder ähnlichen Suspensionen mit einem Feststoffgehalt bis zu 20% oder höher, gewünschtenfalls unter hohen Drucken, eignet.
Die Pumpe soll nicht nur billiger in der Herstellung als die bisher bekannten Drehkolbenpumpen für dicke Flüssigkeiten, sondern auch gleichzeitig stärker sein. Wenn die Pumpe eine geringere hydraulische Sper rung aufweist als die bisher bekannten Drehkolben- pumpen, isst auch ein Brechen weniger wahrschein lich.
Da die Rotoranordnung der Pumpe vor zugsweise symmetrisch ist, kann die Pumpe ge- wünschtenfal!ls in beiden Richtungen arbeiten.
Die erfindungsgemässe Drehkolbenpumpe mit einem Gehäuse und zwei gegenläufig angetriebenen, zahnradartig ineinandergreifenden Rotoren mit einer Anzahl von radial vorspringenden Flügeln und da zwischenliegenden Vertiefungen und mit an den Flanken der Flügel angeordneten Schultern, die beim Drehen der Rotoren mit entsprechenden Schultern des jeweils anderen Rotors zusammenwirken., ist da durch gekennzeichnet, dass die Flügel mit ihren Aussenkanten und die Vertiefungen der Rotoren so bemessen sind, dass die Aussenkanten der Flügel die Wände der Vertiefungen nicht berühren,
dass die an den Flanken der Flügel zwischen Aussenkante und Vertiefung angeordneten Schultern seitlich vorsprin gen und konkave Stirnflächen besitzen, deren Breite in Radial.richtungentsprechend einem Drehwinkel des Rotors bemessen ist, der gleich oder grösser als 180 geteilt durch die Anzahl der Flügel ist, und dass die konkaven Stirnflächen den Teilkreis der Rotoren senkrecht schneiden und auf der der Flügelaussen kante zugewandten Seite -in eine vorspringende Kante auslaufen,
die bei eineu Drehung der Rotoren längs der Oberfläche der entsprechendem konkaven Fläche des anderen Rotorkörpers gleitet, um diese zu reini gen und die Rotoren gegeneinander abzudichten.
Die Flügel der Rotoren müssen im allgemeinen zwei nicht miteinander zusammenhängende Abd'icht- funktionen leisten - sie müssen zum Fördern des zu pumpenden Mediums durch das Purnpgehäuse im Zusammenwirken mit den konkaven Teilen der Ro- torkammer nahe an diesen vorbeilaufen - und sie müssen ferner mit den Flügeln des anderen Rotors zusammenwirken, um den sonst auftretenden Rück strom von Flüssigkeit in dem Bereich zwischen den beiden Rotoren abzusperren. Das Zusammenwirken.
der Rotoren wird bei Pumpen für Faserstoffsuspen- sionen wie Papierstoff weiter durch die Notwendig- keit kompliziert, dass diese, statt aufeinander abzu rollen, aneinander schaben müssen, um ein Klemmen durch Fasern der Papieirmas.se zu verhindern.
Bisher hat man bei Drehkolbenpumpen versucht, das Ab- dichtproblem durch Verwendung gemeinsamer Ab dichtelemente, normalerweise der Aussenkante der Rotorflügel, zu lösen, die sowohl mit den Ober flächen der Rotorkammer als auch mit dem anderen Rotor zusammenwirken.
Obgleich diese Lösung im allgemeinen vom betriebsmässigen Standpunkt aus zufriedenstellend arbeitet, führt sie zu einer kompli zierten und teuren Rotorkonstruktion, hauptsächlich wegen der Notwendigkeit, die grossen Rotorvertie- fungen sehr genau zu arbeiten, zusammen mit der Notwendigkeit, die vorzugsweise konischen Rotoren in zwei Stücken aufzubauen, wodurch diese ge schwächt werden.
Besonders ins Gewicht fällt noch, dass es bei Verwendung der Flügelaussenkanten als hauptsächliches Abdichtelement unmöglich ist, die unvermeidbare Abnützung durch Aufbauen der Rotoraussenkante zu kompensieren, da es keine praktische Möglichkeit gibt, den Abstand der Roto ren einzujustieren, um gleichzeitig das nötige Spiel zwischen Flügelaussenkante und Gehäuse und zwi schen Flügelaussenkante und Rotorvertiefung einzu stellen.
Erfindungsgemäss werden die meisten dieser Pro bleme dadurch gelöst sein, dass für die beiden Ab dichtfunktionen getrennte Elemente verwendet wer den. Genauer gesagt wird die Flügelaussenkante nur zum Pumpen verwendet, während die Schultern zur Abdichtung gegen die Rückströmung dienen.
Bei dieser Anordnung kann nicht nur der Abstand zwi schen der Flügelaussenkante und dem Gehäuse justiert werden, indem entweder Flügel mit radial justier- baren Schneiden verwendet werden, oder indem ein fach die Aussenkante, beispielsweise durch Schwei ssen, aufgebaut und wieder bearbeitet wird, ohne dass dadurch die Freiheit zwischen den Rotoren beeinflusst wird;
die kostspielige Bearbeitung der Vertiefungen der Rotoren kann ausserdem vollständig entfallen, und die einzigen zu bearbeitenden Flächen sind die sich in axialer Richtung erstreckenden Schulterdich.- tungsflächen und ihre Kante beim Flügel sowie die Flügelaussenkanten. Dadurch wird bei einer konischen Pumpe zum ersten Mal die Verwendung eines aus einem Stück gegossenen Rotors möglich, was eine ausserordentliche Erhöhung der Festigkeit mit sich bringt.
Weiterhin können die Rotoren doppelkonisch mit einem zylindrischen Mittelteil ausgebildet sein, was einen erhöhten Nutzeffekt gewährleistet, ohne dass dabei eine Verklemmung des Rotors am Ende auf treten kann.
Die Erfindung soll nun anhand einiger bevorzug ter Ausführungsformen in Verbindung mit der Zeich nung näher erläutert werden.
Fig. 1 und 2 zeigen einen Quer- und einen Längs schnitt durch eine erste Drehkolbenpumpe; Fig. 3 bis 7 stellen eine Serie von Teilschnitten dar, die die verschiedenen Winkellagen eines Rotor paares zeigen; Fig. 8 ist eine perspektivische Schnittansicht der Hälfte eines Rotors für eine Pumpe nach Fig. 1 und 2; Fig. 9 bis 11 sind Schnitte durch den Rotor längs der Linie 9-9, 10-10 und 11-11 in Fig. 2; Fig.12 ist eine Stirnansicht des Rotors nach Fig. 8;
Fig. 13 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform im Schnitt mit einer einstellbaren Schneide, und Fig. 14 und 15 zeigen gegenüber den vorher gehenden Figuren etwas abgewandelte Rotorformen. Das in Fig. 1 und 2 dargestellte Pumpengehäuse 1 besitzt eine Einlassöffnung 2 und eine Auslass- öffnung 3. Zwischen diesen befindet sich eine obere und eine untere konkave Fläche 4 bzw. 5 von vorzugsweise doppelt konischer Form mit dem grössten Durchmesser in der Mitte, die die Rotorkammer bilden.
Die Drehkolben oder Rotoren, nämlich der obere Rotor 6 und der untere Rotor 8 mit den zugehörigen Achsen 7 und 9 sind im Ge häuse 1 in geeigneten Lagern drehbar gelagert, so dass sie eng an die Flächen 4 und 5 angrenzen und sich um waagrechte beabstandete Achsen drehen können, die senkrecht zum Strömungsweg durch die Pumpe liegen und mit geeigneten Dichtungen ver sehen sind, die später noch beschrieben werden. Am einen Ende des Gehäuses sind die Achsen 7 und 9 verlängert und tragen die verbindenden Getrieberäder 10 und 11 und eine der beiden Achsen, hier die untere Achse 9, ist weiter verlängert zu irgendeinem geeigneten, nicht dargestellten Antrieb.
Die zwei Rotoren 6 und 8 sind vorzugsweise vier flüglig und identisch, können aber insbesondere in bezug auf die Anzahl der Flügel variieren.
Beide Rotoren enthalten, wie dargestellt, jeweils vier im ganzen, mit 20 bezeichnete Flügel, zwischen denen konkave Vertiefungen 30 liegen, die unbear beitet, wie sie aus der Giessform kommen, bleiben können, da sie nicht zur Abdichtung herangezogen werden. Die Flügel enthalten verhältnismässig dünne, nach aussen gerichtete Schneiden mit radial nach aussen gerichteten Kanten 22, die von der Mittellinie des Rotors in Richtung auf seine Enden in enger Nachbarschaft zu den Innenflächen der konischen Rotorkammer abfallen; die Schneiden haben im allge meinen schräge konkave Seiten 24, die im wesent lichen unbearbeitet bleiben können.
Die Schneiden arbeiten als pumpende Elemente der beiden Rotoren und fördern die Flüssigkeit längs des äusseren Ring raumes der Rotorkammer zwischen dem jeweiligen Rotor und der zugehörigen konkaven Gehäusefläche, was durch die Pfeile in Fig. 1 angedeutet ist.
Am Fuss der Schneiden der einzelnen Flügel sind in Umfangsrichtung vorstehende Flügelschultern vor gesehen, die an ihrem radial äussersten Rand durch in Axialrichtung verlaufende Kanten 26 begrenzt werden, bei einer vierflügeligen Pumpe vorzugsweise mit einem Winkelabstand von 45 zwischen zwei Kanten 26, entweder gemessen über der Vertiefung oder über dem Flügel. Der Winkel ändert sich ent sprechend der Flügelanzahl und beträgt im allgemei nen gleich 180 geteilt durch die Anzahl der Flügel. Die Kante 26 liegt ausserhalb dem Zahnteilkreis P und wird an der der Vertiefung 30 benachbarten Seite durch eine genau bearbeitete, konkav gebogene, in Axialrichtung verlaufende Abdichtfläche 27 be grenzt.
Die der Schneide benachbarte Seite der Kante wird durch eine andere genau bearbeitete Fläche 25 gebildet, deren Aufgabe es ist, einen genügend spitzen Winkel, vorzugsweise um 70 , an der Kante 26 zu bilden, um genügend freien Raum für den zusam menwirkenden Rotor zu gewährleisten und um die Kante in einer Richtung festzulegen. Die Abdicht- fläche 27 erstreckt sich über den Zahnteilkreis hinaus und endet in einem Rand 28, der einen gewissen radialen Abstand nach aussen von der konkaven Ver tiefung 30 besitzt. Die Dichtung wird durch die Kante 26 des eingreifenden Rotors erzeugt, wenn diese beim abdichtenden Eingreifen vorbeiläuft.
Die radiale Breite der Dichtflächen 27 entspricht einem Dreh winkel des Rotors, der mindestens 45 beträgt, ganz allgemein mindestens 180 geteilt durch die Anzahl der Flügel, vorzugsweise etwas mehr, um ein über lappen um 5 zwischen benachbarten Dichtflächen zu erreichen. Der Zahnteilkreis P liegt in der Mitte der Dichtfläche 27 und steht senkrecht zu dieser.
Bei der beschriebenen Pumpe erfolgt die Abdich tung der Rotoren unter sich also durch die Schultern, wobei mindestens eine Abdichtschulterfläche 27 eines Rotors des Paares mit mindestens einer vorspringen den Kante 26 am anderen Rotor zusammenwirkt, so dass eine zwangläufige Sperrung des Rückflusses zwi schen den Rotoren während der gesamten Drehung gewährleistet ist. Die Vertiefung 30 besitzt eine solche Form, dass ein genügender Spielraum vorhanden ist, um die Flüssigkeit frei zwischen der Flügelaussen kante 22 und der Oberfläche der Vertiefung 30 fliessen zu lassen.
Es soll besonders erwähnt werden, dass die Flügel 20 vorzugsweise symmetrisch zu ihren radialen Mit tellinien liegen, so dass die Förderrichtung umgekehrt werden kann, ohne dass ein Verstopfen oder Ver klemmen zu befürchten ist, auch wenn faserhaltiges Material, wie Papiermasse, gepumpt wird. Zu diesem Zweck können die Schneidenaussenkanten 22 eine konische Oberfläche von ungefähr 2 peripherer Länge besitzen, so dass eine genügende Festigkeit bei scharfen Kanten gewährleistet ist.
Die Flügelkanten können durch Schweissen und erneutes Bearbeiten verlängert werden, um eine Abnützung des Gehäuses auszugleichen, ohne dass dadurch die Abdichtwirkung der Pumpe beeinflusst wird. Gewünschtenfalls kön nen auch auswechselbare oder in Radialrichtung ein- justierbare Schneiden 40 vorgesehen sein, die in einer Vertiefung ruhen und mit einem Schlitz 41 versehen sind, wobei Unterlagsscheiben 42 für die Einjustie rung vorhanden sind und die Festlegung der Schneide durch eine Schraube 43 erfolgt.
In entsprechender Weise können auch die Schultern durch Aufschweissen und erneutes Bearbeiten repariert werden, so dass der richtige Abstand zwischen den Rotoren selbst wieder hergestellt wird.
Die Rotoren haben vorzugsweise, wie dargestellt, eine doppelt konische Form. Der Aussendurchmesser ist in der Mitte des Rotors dabei am grössten und nimmt gegen die Enden hin laufend ab. Gleichzeitig steigen die Vertiefungen 30 von der Stelle ihrer gröss ten Tiefe in der Mitte zu den Orten ihrer geringsten Tiefe an den Enden des Rotors an; die Vertiefungen gewährleisten trotzdem in ihrem ganzen Bereich einen ausreichenden Abstand von den Flügelaussenkanten. Die Abdichtflächen 27 und ihre Kanten 26 und 28 verlaufen in Axialrichtung, so dass diese Flächen eine praktisch konstante Breite haben; die Kanten 26 und 28 sind über die gesamte Länge des Rotors gerade Linien, trotz dessen doppelt konischer Form.
Die Breite der Abdichtfläche 27 am Ende eines Rotors bestimmt im allgemeinen den inneren radialen Ab stand einer Vertiefung 30 in bezug auf die Kante 26; in der Praxis kann sich die Vertiefung 30 sogar geringfügig nach aussen erstrecken, wie beispielsweise aus Fig. 12 ersichtlich ist, wobei der Spielraum für die Rotoraussenkanten erhalten bleibt.
Die Arbeitsweise der Rotoren beim Abdichten gegen eine Rückströmung zwischen den Rotoren ist am besten aus Fig. 3 bis 7 ersichtlich. Der durch die Flügel 20 in Zusammenwirken mit dem umgebenden Gehäuse bewirkte Pumpvorgang, wie er in Fig. 1 dargestellt ist, verläuft ganz in üblicher Weise und braucht deshalb hier nicht im einzelnen erläutert zu werden;
es verdient lediglich, erwähnt zu werden, dass auch dicke Faserstoffgemische bis zu 20 % Feststoffgehalt gewünschtenfalls bei hohen Drücken mit ausgezeichnetem Nutzeffekt gepumpt werden können. Der Abstand zwischen den Flügelaussen kanten und dem Gehäuse kann bei einer Pumpe mit einem konischen Rotor mit einem Durchmesser von etwa 25 bis 38 cm etwa 0,4 bis 0,8 mm betragen; die Gesamtlänge des Rotors ist dabei etwa 38 cm.
In den Fig.3 bis 7 ist ein vollständiger 45 - Abschnitt der Rotoren in fünf Schritten zu je 9 dargestellt, der das Abdichten zweier Schultern gegeneinander und den übergang der Abdichtfunk- tion auf ein anderes Schulterpaar zeigt; ein solcher 45 -Abschnitt wiederholt sich bei jeder Umdrehung von zwei synchron umlaufenden Rotoren achtmal.
In Fig. 3 hat die Abdichtkante 26 des unteren Rotors 8 gerade die Abdichtfläche 27 des Rotors 6 erreicht, so dass eine Abdichtung zwischen diesen beiden Elementen gewährleistet ist. In Fig. 4 und 5 ist ersichtlich, dass die Rotoraussenkante 22 frei an der Schulter auf der anderen Seite der Vertiefung 30 des unteren Rotors 8 vorbeiläuft, während die Ab dichtkante 26 des oberen Rotors in Berührung mit dem innersten Rand der Abdichtfläche 27 am unteren Rotor 8 kommt.
Die Abdichtkante 28 des unteren Rotors bewegt sich dabei gleichzeitig von der Ab dichtfläche des oberen Rotors weg, so dass zwischen den gegenüberliegenden Abdichtflächen der beiden Rotoren kein geschlossener Raum gebildet wird.
In Fig.6 läuft die Abdichtkante 26 des oberen Rotors 6 etwa in radialer Richtung längs der gegen überliegenden Abdichtfläche 27 des unteren Rotors 8 weiter, bis sie sich in Fig. 7 so weit fortbewegt hat, dass die Rotoraussenkante 22 in der Mitte der Ver tiefung 30 liegt, von dieser jedoch einen ausreichen den Abstand einnimmt, und bis die Schultern auf der gegenüberliegenden Seite der Vertiefung gerade in Eingriff gekommen sind.
Aus Fig. 7 ist ferner ersicht lich, dass eine geringfügige überlappung, vorzugs weise etwa 5 , vorhanden ist, während der die Schul tern auf beiden Seiten des Flügels des oberen Rotors 6 sich in Eingriff mit den beiden Schultern beidseits der Vertiefung des unteren Rotors 8 befinden.
Dies hat sich als vorteilhaft erwiesen und ist nicht nach- teilig, da die Volumenänderung bei dieser Über- lappung in der Mitte nur maximal etwa 1,5 % beträgt und da anderseits Rotoraussenkante und Vertiefung frei aneinander vorbeilaufen können.
Der Abstand zwischen einer Abdichtkante und der mit dieser zu sammenwirkenden Abdichtfläche ist bei Rotoren der oben angegebenen Grössenordnung etwa 0,4 bis 0,8 mm.
Um eine zufriedenstellende Abdichtung der Rotorachsen zu gewährleisten, haben diese einen geringeren Durchmesser als der kleinste Enddurch- messer des Rotors, so dass sich eine senkrechte End- fläche 50 an beiden Enden des Rotors ergibt.
Das Gehäuse ist in den die Achsen aufnehmenden Boh rungen mit- einem Käfigring 52 von H-förmigem Querschnitt versehen. Dies--r Ring wird durch einen Einlasskanal 53 und einen Behälter 54 mit Spülwasser versorgt, das unter einem Druck steht, der etwa 0,35 bis 0,7 kg/cm2 grösser ist als der maximale Auslass- druck der Pumpe. Vorzugsweise ist ausserdem ein Auslasskanal in der Ringnut vorgesehen, um einen ununterbrochenen Wasserstrom durch den Käfigring aufrechterhalten zu können.
Um die Fasermasse so wenig wie möglich zu verdünnen, beträgt der Abstand zwischen dem Dichtungsring 52 und der Achse vor zugsweise etwa 0,13 mm. Um ein Festfressen zu ver meiden, wird der Käfigring vorzugsweise aus einem anderen Material hergestellt als die Achse; er kann beispielsweise aus einer Blei-Zinnlegierung bestehen, während für Rotor und Achse nicht rostender Stahl Verwendung findet.
Die Fig. 14 und 15 zeigen etwas abgewandelte Rotorformen. Der eine Rotor 60 in Fig. 14 ist über seine ganze Länge zylindrisch, während der in Fig. 15 dargestellte Rotor 70 an den Enden doppelt konisch ist und einen zylindrischen Mittelteil besitzt.
Der in Fig. 14 dargestellte zylindrische Rotor 60 besitzt gradlinige Vertiefungen 62, die Pumpwirkung pro Rotorlänge ist ausgezeichnet und er eignet sich sehr gut für Flüssigkeiten, bei denen das Verstopfen oder Verklemmen kein Problem ist.
Bei faserhaltigen Suspensionen, wie Papierfasermasse, besteht aber zu mindestens die Neigung, dass sich Fasern zwischen die im wesentlichen radial verlaufenden Ränder der Vertiefung 62 eines zylindrischen Rotors einklemmen. Hebt man jedoch den Boden der Vertiefungen 30 oder 72 an den Enden so weit an, dass sie mit Aus nahme der dazwischenliegenden Abdichtfläche die Flügelaussenkanten fast treffen, so können diese Pro bleme ausgeschaltet werden.
Diese Massnahme muss sich nicht auf die gesamte Rotorlänge erstrecken, sie genügt an den Endteilen, wie in Fig. 15 dargestellt ist, wobei der zylindrische Mittelteil eine erheblich ver besserte Pumpleistung gegenüber Rotoren mit durch gehend doppelkonischer Form ergibt. Wie oben bereits erwähnt wurde, sind die Abdichtflächen des Rotors par allel zur Rotorachse unabhängig von der äusseren Form des Rotors, so dass beispielsweise die in Fig. 15 dar- gestellte Ausführungsform leicht hergestellt werden kann, ebenso Rotoren mit gekrümmten Aussenflächen, falls dies aus irgendeinem Grunde wünschenswert erscheinen sollte.