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Schraubenpumpe mit Förderschraube und einer oder mehreren Dichtungsschrauben
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schraubenpumpe mit einem Schraubensatz, der
aus einer Förderschraube mit konvexen Gewindegangseiten bzw. -flanken und einer
oder mehreren Seiten- bzw. Dichtungsschrauben mit konkaven Gewindegangseiten bzw.
-flanken besteht, wobei diese Schraubenrotoren im eigentlichen, der Gewindelänge
der Schrauben entsprechenden Förderbereich (dem Förderraum) von einem Gehäuse umschlossen
werden, in welchem an den Enden dieses Förderbereichs eine Ein- und eine Auslaßkammer
gebildet sind, gegen die sich der Förderraum nur in axialer Richtung und mit seinem
gesamten Querschnitt öffnet.
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Wenn eine solche Schraubenpumpe arbeitet, wird die Flüssigkeit axial
von der Einlaß- oder Saugseite des Schraubensatzes nach dessen Auslaß- oder Druckseite
in geschlossenen Kammern gefördert, die von den Gewindegangseiten und dem Gewindegangboden
der Schrauben sowie dem die Schrauben umschließenden Gehäuse gebildet werden. Eine
derartige Kammer wird an der Saugseite des Schraubensatzes gebildet, wenn die Antriebsschraube
gedreht wird, und mit Flüssigkeit in dem Ausmaß, in dem sie gebildetwird, gefüllt.
Wenn die Kammer vollständig ausgebildet ist, wird sie nach der Saugseite zu geschlossen
und wandert bei weiterer Drehung der Antriebsschraube axial nach der Auslaßseite
des Schraubensatzes, wo sie geöffnet und die Flüssigkeit entleert wird. Das Volumen
der Kammer ist während des ganzen Flüssigkeittransportes von der Einlaß- zur Auslaßseite
unverändert, und unter der Voraussetzung, daß die Pumpe ideal dicht ist, steht die
Flüssigkeit in der Kammer während ihres ganzen Transportes unter dem am Eimaß herrschenden
Druck, um erst am Auslaß dem dort herrschenden Druck ausgesetzt zu werden. In der
Praxis kommt bei einer Pumpe dieser Art natürlich immer ein gewisses inneres Lecken
vor, und zwar infolge eine, bei der Herstellung unvermeidlichen Spielraumes, weswe-en
eine kleine Druckerhöhung während des Transportes stattfindet; diese Druckerhöhung
ist jedoch so klein, daß im '%vesentlichen die gesamte Druckstei-erung am Auslaß
erfolgt.
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Wenn die Kammer gebildet wird, entsteht ein Vakuum, wodurch sie mit
Flüssigkeit gefüllt wird.Es ist von Bedeutung, daß die Flüssigkeit mit so geringer.
Verlusten wie möglich in die Kammer einströmen kann und diese vollständig füllt,
bevor sie geschlossen wird. Damit dies möglich ist, darf die Rotationsgeschwindigkeit
der Schrauben einen gewissen kritischen Wert nicht überschreiten. Wird dieser Wert
überschritten, wird nämlich die Kammer während der Zeit, in der sie offen ist, nicht
gefüllt, vielmehr entsteht ein Hohlraum, d. h., es werden Kavitäten in der Flüssigkeit
gebildet, die mit Gas oder Luft gefüllt werden, das bzw. die von der gepumpten Flüssigkeit
abgegeben wird. Diese Gas- oder Luftblasen folgen der Flüssigkeit bei ihrem Transport
nach der Pumpendruckseite, wo sie plötzlich dem dort herrschende höheren Druck ausgesetzt
und somit komprimiert werden. Hierdurch entsteht ein Geräusch und eine Vibration,
die die Pumpe und andere Teile der Anlage beschädigen kann.
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Der Wert der kritischen Drehzahl hängt von mehreren Faktoren ab, nämlich
den Abmessungen und der geometrischen Ausbildung der Schrauben, den Eigenschaften
der gepumpten Flüssigkeit, wie deren Viskosität und deren Dampfdruck und der Menge
der darin gelösten Gase, sowie der Saughöhe. Man hat auch gefunden, daß die Ausbildung
des Einlasses am Schraubensatz von großer Bedeutung ist. Die vorliegende Erfindung
bezweckt, den Einlaß so auszubilden, daß die Füllung der Kammern erleichtert wird
und schneller erfolgt, wodurch der Wert der kritischen Drehzahl für eine gegebene
Pumpe erhöht wird und die Pumpe somit mit höherer Drehzahl für eine gegebene Flüssigkeit
und eine gegebene Saughöhe angetrieben werden kann, ohne daß ein Hohlraum mit den
sich daraus ergebenden Nachteilen entsteht. Dies hat zur Folge, daß die Pumpe für
eine gegebene Kapazität kleiner wird oder daß die gleiche Pumpe mit unveränderter
Drehzahl bei größerer Saughöhe benutzt werden kann.
Bei bisher bekannten
Schraubenpumpen ist das Gehäuse so ausgebildet, daß die Flüssigkeit in eine unter
Bildung stehende Kammer nur in axialer Richtung an der Einlaßseite des Schraubensatzes
eindringen kann, was bedeutet, daß die Öffnung, durch die die Flüssigkeit eindringen
kann, relativ begrenzt ist. Es hat sich als unzweckmäßig erwiesen, einen radialen
Einlaß durch das Gehäuse vorzusehen, da die Gewindegänge der Schrauben die Flüssigkeit
auf Grund der entstehenden Zentrifugalwirkung fortschleudern, was ein befriedigendes
Füllen erschwert.
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Es ist ferner bekannt, bei einem rotierenden Kompressor für Gase das
Gehäuse durch Stirnwände so zu verschließen, daß auch die von den Schrauben gebildeten
Kammern in axialer Richtung verschlossen sind. Folglich ist es notwendig, daß das
Medium in diese Kammer radial einströmt. Zu diesem Zweck weist die bekannte Einrichtung
eine Tasche, die eine große radiale Ausnehmung hat, mit einer Umrandung auf. Für
einen Luft- bzw. Gasverdichter hat dies keine Bedeutung, da die hier auftretende
Zentrifugalkraft nur eine sehr geringe Wirkung hat. Handelt es sich jedoch um eine
Schraubenpumpe, d. h. um eine Pumpe für Flüssigkeiten, dann ist es im Gegensatz
zu einem Luftverdichter unmöglich, die Flüssigkeit von einer Tasche mit großer radialer
Ausdehnung radial ausströmen zu lassen, da die Flüssigkeit unter der Wirkung der
Zentrifugalkraft hinausgeschleudert wird. Die Einströmung muß deshalb immer in axialer
Richtung geschehen.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung hat es sich als möglich erwiesen,
eine radiale Füllung der Kammer zu erzielen, ohne daß die unvorteilhafte Wirkung
der Zentrifugalkraft auftritt, und zwar dadurch, daß in der die Schraubenrotoren
im übrigen Förderbereich dichtend umschließenden Gehäuseinnenumfangswand an der
Einlaßseite des Förderraums eine Tasche vorgesehen ist, deren radiale Tiefe klein
ist, beispielsweise ungefähr einem Viertel der Stärke der Gehäuseumfangswand entspricht,
aber im gesamten Bereich der Tasche gleichbleibt, und deren axiale Ausdehnung bzw.
Begrenzungskontur im Förderraum so gewählt ist, daß die Tasche nur mit in Bildung
befindlichen, nach der Einlaßseite noch axial offenen Zellen der zwischen den Gewindegängen
der Schraubenrotoren und der sie umgebenden Gehäusewand gebildeten, axial bewegten
Förderzellen in Verbindung steht.
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Die Erfindung ist an Hand der Zeichnung, die eine Ausführungsform
der Schraubenpumpe veranschaulicht, näher beschrieben. In der Zeichnung zeigt F
i g. 1 eine Seitenansicht des in der Nähe des Einlasses befindlichen Teiles eines
Schraubensatzes mit Gehäuse, das im Längsschnitt dargestellt ist; F i g. 2 zeigt
die gleiche Ansicht wie F i g. 1, jedoch mit fortgenommenen Schrauben; F i g. 3
ist ein Querschnitt nach der Linie 111-III der F i g. 1; F i g. 4 zeigt in kleinerem
Maßstab eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, einer Pumpe mit einem Schraubensatz
und einem Gehäuse gemäß F i g. 1 bis 3.
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Die dargestellte Schraubenpumpe besitzt eine angetriebene Mittelschraube
1 mit zwei Gewindegängen und zwei Seitenschrauben 2, 3 mit ebenfalls je zwei Gewindegängen.
Die Gewindegangseiten der Mittelschraube sind konvex, während die Seitenschrauben
konkave Gewindegänge besitzen, die eine zu den Gewindegängen der Mittelschraube
entgegengesetzte Steigung aufweisen, wobei die Gewindegänge in bekannter Weise so
ausgeführt sind, daß sie. gegeneinander abdichten. Der aus der Mittelschraube 1
und den Seitenschrauben 2, 3 gebildete Schraubensatz ist in einem diesen dicht umschließenden
Gehäuse 4 angebracht, das nach unten zu mit zwei symmetrischen Öffnungen 5 versehen
ist, durch die der Einlaß der Flüssigkeit zum Schraubensatz erfolgt, während der
Auslaß am oberen offenen Ende des Gehäuses erfolgt, das in F i g. 1 und 2 nicht
sichtbar ist. Das Gehäuse 4
mit dem Schraubensatz 1, 2, 3 ist, wie sich aus
F i g. 4 ergibt, mit Hilfe eines Flansches 6 des Gehäuses und Schrauben 7 in einem
Pumpengehäuse 8 angebracht, so daß sein unterer Teil mit den Öffnungen 5 sich in
der Einlaßkammer 9 des Pumpengehäuses und sein oberer Teil sich in der Auslaßkammer
10 des Pumpengehäuses befindet. Die Mittelschraube wird von einem nicht dargestellten
Motor über eine Achse 11 angetrieben, die in einem am Gehäuse 4 befestigten
Lagergehäuse 12 gelagert ist und sich durch den Deckel 13 des Pumpengehäuses hindurch
erstreckt. Die anderen Enden der Schrauben sind im unteren Ende des Gehäuses gelagert.
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Das Gehäuse ist, wie sich am besten aus F i g. 3 ergibt, so ausgebildet,
daß es einen größeren zentralen Zylinder für die Antriebsschraube 1 und zwei kleinere
Zylinder für die Seitenschrauben 2 und 3 bildet. An den Übergängen zwischen diesen
Zylindern bildet das Gehäuse inwendige Kanten 14, 15, 16 und 17.
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Um die mit der Erfindung bezweckte radiale Füllun= der im Schraubensatz
gebildeten Flüssigkeitskammern zu erzielen, sind im Gehäuse 4 flache Aussparungen
oder Taschen 18,19 angebracht, die sich axial von den Oberkanten der Öffnungen 5
erstrecken, wobei diese Kanten als die Kante des eigentlichen Gehäuses nach der
Einlaßseite zu betrachtet werden können. In F i g. 2 sind diejenigen Partien der
Taschen 18 und 19 sichtbar, die in der hinter dem Schraubensatz liegenden Wand gelegen
sind, und in F i g. 1 ist mit strichpunktierten Linien die Lage der vor den Schrauben
liegenden Partien der Taschen markiert. Wie sich aus der Zeichnung ergibt, ist die
Tasche 18 an der einen Wand des Zylinders der Mittelschraube 1 und des Zylinders
der einen Seitenschraube 2 angebracht, während die Tasche 19 in der entgegengesetzten
Wand des Zylinders der Mittelschraube 1 und des Zylinders der anderen Seitenschraube
3 angebracht ist. Die beiden Taschen sind symmetrisch zueinander angeordnet.
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Die Taschen 18 und 19 werden in denjenigen Teilen, die im Zylinder
der Mittelschraube 1 liegen, von im wesentlichen schraubenlinienförmigen Kurven
10, 20' begrenzt, die die gleiche Steigungsrichtung wie die Antriebsschraube haben
und die sich von der Unterkante des Gehäuses in der Nähe der Kante 14 bzw. 15 (d.
h. der Kante, auf die sich der Gewindegang dei Mittelschraube innerhalb desjenigen
Teiles einer Umdrehung, bei dem dieser Gewindegang an dem Gehäuse anliegt, zu bewegt;
die Drehrichtung der Mittelschraube ist mit einem Pfeil in F i g. 3 angegeben; nach
einem Punkt an der Kante 16 bzw. 17 (die Kante, von der sich der Gewindegang der
Mittelschraube fortbewegt) erstrecken. In denjenigen Teilen, die in den Zylindern
der Seitenschrauben 2 und ? liegen, werden die Taschen von im wesentlicher schraubenlinienförmigen
Kurven 21, 21', deren Steigung der Steigung der Kurven 20, 20' entgegengesetzt,
d. h. der Steigungsrichtung der entsprechenden Seiten
schrauben
gleich ist, sowie einer axialen geraden Linie 22, 22' längs der Kante 16 bzw. 17
begrenzt, die die beiden Kurven 20 und 20' bzw. 21 und 21' verbindet. Die Kurven
21 und 21' gehen von der Oberkante der Öffnung 5 an Punkten in der Nähe der Kanten
;ins, jedoch an der den Ausgangspunkten der Kurven 20, 20' eptgegengesetzten Seite
von ihnen.
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Während der Arbeit der Pumpe sind die Taschen 18 und 19 ständig mit
Flüssigkeit gefüllt, die axial in die Taschen durch die Öffnungen 5 einströmt. Aus
den Taschen kann die Flüssigkeit dann radial in die sich an der Einlaßseite des
Schraubensatzes in Bildung befindlichen Kammer einströmen, und aus F i g. 1 ergibt
sich, daß eine große Öffnungsfläche für die radiale Einströmung zur Verfügung steht,
wodurch die Füllung schnell erfolgt. Da die Taschen flach sind oder eine kleine
radiale Ausdehnung haben, wird indessen die Einwirkung der Zentrifugalkraft eliminiert.
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Damit kein Lecken erfolgt, soll die Verbindung zwischen der Tasche
und der Kammer im Schraubensatz aufhören, wenn die Kammer nach der Einlaßseite geschlossen
wird. Diese Forderung begrenzt die axiale Ausdehnung der Tasche und bestimmt die
Form der axialen Begrenzungskurven der Tasche. Man findet, daß die Kurven 20, 20'
eine Steigung L1 gemäß der nachstehenden Formel haben sollen
wo S, = Gewindegangsteigung der Mittelschraube, (@; = Gewindegangscheitelwinkel
der Mittelschraube (s. F i g. 3), =Anzahl Seitenschrauben, yp, = halber Öffnungswinkel
für das Gehäuse, gesehen von der Mitte der Mittelschraube (s. F i g. 3), bedeutet.
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Was die Steigung L2 der Kurven 21, 21' betrifft, so kann sie die gleiche
wie die Gewindegangsteigung der Seitenschrauben sein. Es ist indessen vorteilhaft,
daß sich die Steigung etwas unterscheidet, um das Schließen der Kammer geschmeidiger
zu machen. Zweckmäßig läßt man die Steigung der nachstehenden Formel folgen
wo SZ = Gewindegangsteigung der Seitenschrauben, OZ = Gewindegangscheitelwinkel
der Seitenschrauben (s. F i g. 3), k = eine Konstante < 1, bedeutet.
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Es ist natürlich möglich, der Tasche eine geringere axiale Ausdehnung
zu geben, als es diesen Gleichungen entspricht, aber dabei werden die Möglichkeiten
der radialen Füllung nicht in größtmöglichem Maß ausgenutzt.
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Die Erfindung ist nicht auf die gezeigte Ausführungsform begrenzt,
sondern allgemein bei Schraubenpumpen anwendbar, die eine Mittelschraube und eine
oder mehrere Seitenschrauben enthalten, bei denen das Profil der Gewindegänge gewisse
bekannte, mathematisch bestimmte Bedingungen erfüllt sowie die Anzahl Schrauben
und die Anzahl Gewindegänge so gewählt sind, daß geschlossene Kammern in den Gewindegangnuten
gebildet werden. Es ist bekannt, daß die letztgenannte Bedingung erfüllt ist, wenn
der Schraubensatz der Gleichung G-ng-[ n = 0 genügt, wo G die Gewindeganganzahl
der Antriebsschraube, n die Anzahl Seitenschrauben und g die Gewindeganganzahl der
Seitenschrauben ist. Die Erfindung ist allgemein bei allen derartigen Schraubenpumpen
anwendbar sowie auch bei solchen Schraubenpumpen, bei denen nicht nur die Mittelschraube,
sondern sowohl die Mittelschraube als auch die Seitenschrauben angetrieben werden.