Verfahren zum Erzielen einer pulsationsfreien Strömung in der Saug- und der Druckleitung einer Verdrängerpumpe mit drei oder mehr Zylindern und Modulator zur Durchführung des Verfahrens Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzielen einer pulsationsfreien Strömung in der Saug- und der Druckleitung einer Verdrängerpumpe mit drei oder mehr Zylindern und einen zur Durchführung dieses Verfah rens geeigneten Modulator,
welcher der gleichförmigen Drehbewegung der Antriebswelle einer Verdrängerpum- pe mit drei oder mehr Zylindern eine zusätzliche Bewe gung erteilt.
Kolben bzw. Plunger- oder Membranpumpen besit zen einen besonderen Nachteil. Sie fördern die Flüssig keit auf derart unregelmässige Weise, dass man oft diese Übelstände zu fühlen bekommt. Die Pulsationserschei- nung bat 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 Pulsa- tion 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 An triebsmotor und das Getriebe stossweise belastet. Um die Pulsation einzuschränken, ohne dass man jedoch diese ganz verhindern kann, verwendet man Windkessel oder auch Pumpenanlagen, die mit mehreren Einzel pumpen (bis zu 9 Stück) ausgerüstet sind. Die Verwen dung von Windkesseln ist jedoch in vielen Fällen un bequem, und Pumpenanlagen mit vielen Einzelpumpen sind teuer. Die Herstellung einer Kolbenpumpe mit einer vollkommen gleichmässigen Strömung in der Saug- und Druckleitung, wie dies bei einer Zentrifugalpumpe der Fall ist, scheint auf den ersten Blick eine Utopie. Die Industrie fordert jedoch dringend Kolbenpumpen dieser Art.
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 Konstruk tion betraf eine Kurvenscheibe, welche zwei Plunger- kolben antrieb. Durch richtige Berechnung der Kurven scheibe wird in der Tat eine pulsationsfreie Strömung in der Druckleitung erreicht.
In der Saugleitung entsteht dann jedoch eine sehr heftige Pulsation, wobei die Flüs sigkeit in regelmässigen Zeitabständen sogar gänzlich stillsteht, um dann plötzlich stossweise wieder beschleu nigt zu werden bzw. gänzlich zum Stillstand zu kommen. Es versteht sich von selbst, dass derartige Pumpen ledig lich bei sehr kurzen Saugleitungen und nur bei einem beträchtlichen hohen Gegendruck nützliche Verwendung finden können.
Der Gedanke der Erfindung besteht darin, die speziel len Eigenheiten v. Kolbenpumpen, nämlich die pulsieren de Förderung, dadurch zu beseitigen, dass man der Drehbewegung der Kurbelwelle eine entsprechende Zu satzbewegung überlagert. Diese Kurbelbewegung soll im Folgenden als modulierte Bewegung bezeichnet werden.
Um deutlich zu machen, was unter einer modulierten Antriebsart zu verstehen ist, stelle man sich eine Pumpe mit drei oder mehr Zylindern vor, deren Ventile zwangs läufig gesteuert werden. Eine derartige Pumpe kann auch als hydraulischer Motor fungieren. Leitet man nämlich einen vollkommen gleichmässigen, also nicht pulsieren den Flüssigkeitsstrom durch diese Pumpe, so wird die Kurbelwelle in Drehung kommen. Diese Drehung erfolgt jedoch dann nicht gleichmässig, sondern sie führt gegen über einer gleichmässigen Drehbewegung zu Schwingun gen mit bestimmter Amplitude.
Dieselbe nicht gleich- mässige Bewegung übertragen wir jetzt auf die Kurbel welle der Maschine, die nun wieder als Pumpe fungiert. Das Ergebnis ist dann ein pulsationsfreies Arbeiten der Pumpe. Die hier beabsichtigte, nicht gleichmässige An triebsart 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 Rück wirkung auf den Antrieb ausübt. Die mathematische Ausarbeitung dieser Entdeckung liegt der vorliegenden Erfindung zugrunde.
Demgemäss betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Erzielen einer pulsationsfreien Strömung in der Saug- und der Druckleitung einer Verdrängerpumpe mit drei oder mehr Zylindern, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass man der gleichmässigen Drehbewegung der An triebswelle eine Schwingung überlagert, die die bei nor maler Kolbenbewegung auftretende Pulsation in der Wei se ausgleicht, dass die Summe der Kolbengeschwindig keiten während jedes Druck- und ebenso während jedes Saughubs stets konstant bleibt.
Weiterhin betrifft die Erfindung einen zur Durch führung dieses Verfahrens geeigneten Modulator, der der gleichförmigen Drehbewegung der Antriebswelle einer Verdrängerpumpe mit drei oder mehr Zylindern eine zusätzlichen Bewegung im Sinne des eben gekenn zeichneten Verfahrens erteilt.
Infolge der gleichmässigen Strömung weist eine mit einem Modulator ausgerüstete Pumpe einen sehr gleich- mässigen Gang auf und kann daher schneller laufen als eine normal angetriebene Pumpe.
Ein einfaches Schema eines Modulators ist aus Fig. 1 ersichtlich. Der antreibende Hebelarm 5 dreht sich mit gleichmässiger Geschwindigkeit. Der Hebelarm 6 ist mit dem ersteren im Drehpunkt 9 verbunden, während an dererseits an dem Arm 6 eine Kurvenrolle 3 angebracht ist. Diese Kurvenrolle bewegt sich in der Kurve 2 der feststehenden Kurvenscheibe 1. Die Kurve 2 ist kreis förmig gezeichnet, da die Abweichungen von der Kreis form so gering sind, dass es schwierig ist, diese zu zeich nen. Für das Verständnis der Erfindung dürfte dies je doch nicht stören. Auf dem Arm 6 ist ferner ein Dreh zapfen 8 angeordnet, an dem sich ein in dem Arm 7 ge führter Gleitstein 10 befindet.
Bei gleichmässiger Dre hung des antreibenden Hebelarms 5 führt nun die Kur venrolle 3 eine Schwingbewegung aus, die über den Arm 6 und den Zapfen 8 dem Arm 7 mitgeteilt wird, welcher durch die Achse 4 mit der Kurbelwelle verbunden ist. Die Kurbelwelle dreht sich infolgedessen mit einer Win kelgeschwindigkeit, welche Schwankungen ausführt im Hinblick auf die gleichmässige Drehbewegung des Hebel arms 5.
Eine andere Ausführungsform des Modulators ist aus Fig. 2 ersichtlich. Hier ist der Modulator in einer Zahnradübertragung angeordnet, welche die Drehge schwindigkeit verlangsamt. Das Zahnrad 8 steht fest, und ein Planetenarm 5 mit den Zahnrädern 6 und 11, welche mit Hilfe der Achse 10 mit dem Planetenarm verbunden sind, bewegt sich um das Zahnrad 8 herum. Das Zahn rad 12 ist durch die Achse 9 mit dem antriebenden Motor verbunden. Die Kurvenscheibe 1 ist ihrerseits fest mit dem Zahnrad 6 verbunden.
Die Kurvenrolle 3 wird in der Kurve 2 geführt, wodurch der Arm 7 und die Achse 4 die gewünschte nicht gleichförmige Rotations bewegung erhalten. Selbstverständlich sind auch noch andere Konstruktionen des Modulators möglich. So kann z. B. in der die Drehbewegung verlangsamenden Zahn- radübertragung ein Planetengetriebe angeordnet werden. Der Planetenarm mit dem Planetenrad bewegt sich dann nicht im Kreise, sondern führt eine erzwungen:, Schwing bewegung um eine feste Mittelstellung herum aus.
Die Schwingbewegung kann beispielsweise durch eine richtig berechnete Kurvenscheibe vorgeschrieben sein.
Die Berechnung der Modulationskurve wird im fol genden für eine Pumpe mit 3 und 4 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 Pleuel- länge zum Kurbelradius unendlich sein muss, wie es z. B. bei einer Kurbelschleife der Fall ist.
Fig. 3 zeigt 3 Kurbeln einer Triplex-Pumpe, die mit einander einen Winkel von 120 bilden. Es sind hierbei zwei Phasen zu betrachten, die jedesmal einen Winkel von 60 umfassen. In der ersten 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 ge strichelt dargestellt sind. Die moduliert umlaufenden Kurbeln eilen in der Zeichnung um den Winkel a vor. Die gleichförmig umlaufenden Kurbeln sollen hier ledig lich als Vergleichsbasis dienen.
Der Winkel der gleich förmigen Bewegung ist cp. Man kann 9 als Zeitparameter betrachten, wobei cp = wt ist. Hierin ist w 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 ver läuft, also mit dem Wert cp, so folgt daraus, dass folgende Beziehung zwischen a und cp besteht:
EMI0002.0055
Dieselbe Beziehung gilt auch für die Summe der Kolbenwege in der zweiten Phase. Die Beziehung ist einfach aus der Zeichnung abzuleiten.
Eine wiederholte Differenzierung der Gleichung (1) ergibt folgendes:
EMI0002.0056
Hieraus können der Winkel a, die Winkelgeschwin digkeit und die Winkelbeschleunigung der modulierten Kurbelbewegung als Funktion von cp, d. h. als Funktion der Zeit berechnet werden.
Nach der Gleichung (1) sind eine Anzahl Werte be rechnet und in Fig. 4 zeichnerisch dargestellt.
Längs der Abszisse sind die Werte für cp aufgetragen und längs der Ordinate die zugehörigen Werte für a; der Deutlichkeit halber sind die Skalenwerte für a gegen über denjenigen für cp stark vergrössert. Diese aus der Gleichung (1) erhältliche Kurve ergibt eine kontinuierlich verlaufende Wellenlinie.
Der maximale Wert von a ist 0,00947 rad, der Minimalwert ist - 0,00947 rad. Dies er gibt eine Winkelamplitude von rd.<B>0,019</B> rad, was einem Betrag von 19 mm bei einem Radius von 1 m entspricht. Die maximale Winkelbeschleunigung, bezogen auf den Parameter cp, beträgt 0,7020: bezogen auf die Zeit bedeu tet dies eine maximale Winkelbeschleunigung von 0,7020 w2 rad/sec2.
Die Kurve gilt innerhalb eines Gebietes von 60 und muss daher 6 mal auf die Kurvenscheibe in Fig. 1 aufge bracht werden. Selbstverständlich müssen die berechne ten Werte im Verhältnis der Hebelverhältnisse des Arms 6 in Fig. 1 vergrössert werden. Aus Gleichung (1) kön nen somit alle Angaben berechnet werden, die für die Verwirklichung der Erfindung nötig sind. Aus den Gleichungen (2) und (3) folgen alle Angaben über die auf tretenden Geschwindigkeiten und Beschleunigungen, an hand deren die Belastungen der verschiedenen Maschi nenteile 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 keiner lei Bedeutung im Verhältnis zu den Massenkräften, die die Pulsation bei einem in üblicher Weise angetriebenen Pumpenmechanismus auslöst.
Fig. 5 zeigt vier moduliert und vier gleichförmig umlaufende Kurbeln einer Pumpe mit 4 Zylindern. Die Kurbeln bilden einen Winkel von 90 miteinander. Aus der Figur lässt sich ableiten, dass die Bewegungen, die die moduliert umlaufenden Kurbeln ausführen, folgender Gleichung genügen müssen:
EMI0003.0004
Die Gleichung gilt zwischen den Werten cp = 45 und cp = 135 , also über einen Winkelbereich von 90 . Die wiederholte Differenzierung ergibt
EMI0003.0007
Auch hier können die auftretenden Geschwindig keiten aus der Gleichung (5) und die Beschleunigung aus der Gleichung (6) für alle Werte von cp berechnet werden.
In Fig. 6 ist wiederum a als Funktion von cp aufgrund einer genügenden Anzahl berechneter Werte gezeichnet. Die Skalenwerte von cc sind stark vergrössert gegenüber den Werten von cp. Da die Kurve ein Gebiet von 90 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 Phasen verschiebung von 90 aufweisen.
Die hierbei auftreten den Abweichungen von der exakten Lösung sind für die Praxis zu vernachlässigen. Fig. 7 zeigt eine Bauweise einer Vierzylinderpumpe, bar der die Zylinder zu zwei und zwei gegenüber angeordnet sind und durch Kurbel schleifen angetrieben werden. Die Pumpe kann natür lich auch mit zwei doppeltwirkenden Zylindern ausge stattet sein.
Der Gedanke der Erfindung kann auch durch Pum penlagen mit mehr als 4 Zylindern verwirklicht werden. Eine solche Einrichtung kann nützlich sein, wenn die geforderte Kapazität für 4 Zylinder zu gross ist. Dies wird jedoch nur zu den Ausnahmefällen gehören, da man die Pumpzylinder meist willkürlich gross machen kann. Diese letztere Massnahme ist jedoch bisweilen nicht möglich, beispielsweise dann, wenn sehr hohe Förderdrucke be nötigt werden. Der Gedanke gemäss der Erfindung ist auch auf Membranpumpen anwendbar, wie sich von selbst versteht.
Ebenso wie die in üblicher Weise angetriebenen Kol benpumpen kann eine Pumpenanlage gern. der Erfindung mit einem verstellbaren Excenter versehen sein, so dass die Hublängen aller Kolben verändert werden können. Somit kann die Fördermenge einer Pumpe nach Be lieben eingestellt werden, wobei dennoch ein pulsations- freies Arbeiten erhalten bleibt.
Auf diese Weise erzielt man somit eine pulsationsfreie Dosierpumpe. Für die hydraulische Übertragung von Leistungen können 2 Kol- benmaschinen angenwendet werden, von denen die eine mit verstellbaren Excentern ausgerüstet sein kann. Eine dieser Kolbenmaschinen wird beispielsweise durch einen Elektromotor angetrieben und liefert den hydraulischen Druck für die andere Kolbenmaschine, die als hydrau lischer 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 Druck hubes wird dann die Flüssigkeit nicht unmittelbar durch die Ventilklappe gedrückt, vielmehr geschieht dies erst, nachdem die Flüssigkeit hinlänglich zusammengedrückt ist. Ebenso wird die Flüssigkeit nicht unmittelbar bei Beginn des Saughubes angesaugt, sondern erst nachdem die Flüssigkeit sich in entsprechendem Masse ausgedehnt hat. Diese Erscheinung kann für das pulsationsfreie Ar beiten der Pumpe ein Hindernis bilden.
Es ist jedoch einzusehen, dass eine zweckmässige Modifizierung der Kurve im Modulator hier der gegebene Weg ist, die Schwierigkeiten zu beseitigen. Entsprechend dem Ge danken der Erfindung können somit auch Pumpen für sehr hohe Drucke pulsationsfrei gemacht werden, sei es dann, dass sie erreichte Kompensation nur bei ein und demselben Druck wirksam ist.