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Schubkolbenpumpe oder -motor Die Erfindung bezieht sich auf eine
Schubkolbenpumpe oder einen Schubkolbenmotor mit einem oder mehreren kolbenartigen
Organen, die koaxial auf einer Welle angeordnet sind und von einem konzentrisch
zu der Welle angeordneten, mit einer Innenwand an ihren Aussenwänden anliegenden
Zylinder umgeben sind, und die bei einer Relativbewegung der Welle gegenüber dem
Zylinder in azimutaler Richtung eine oszillierende Relativbewegung in axialer Richtung
zwischen Jeweils zwei Begrenzungsorganen ausführen, wobei die Relativbewegung in
axialer Richtung zwischen Jeweils einem kolbenartigen Organ und den zugeordneten
Begrgnsungsorganen dadurch erreicht wird, dass das kolbenartige Organ mit einem
und die zugeordneten Begrenzungsorgane mit dem anderen der beiden Teile welle und"
Zylinder" drehiest gekoppelt sind und dass in den Bereichen, in denen das kolbenartige
Organ und eines der Begrenzungsorgane aneinandergrenzen, mindestens eines der beiden
Organe mit einer in azimutaler Richtung wellenförmig verlaufenden Fläche versehen
ist, auf der das andere Organ
mit einem oder mehreren Auflagepunkten
aufliegt und auf der es bei einer azimutalen Relativbewegung der Welle gegenüber
dem Zylinder unter Verursachung einer axialen Relativbewegung des einen Organe gegenüber
dem anderen abläuft, und wobei ferner durch die azimutale Relativbewegung der Welle
bzw. der mit dieser drehfest gekoppelten Organe gegenüber dem Zylinder bzw.
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den mit diesem drehfest gekoppelten Organen und/oder durch die axiale
Relativbewegung der kolbenartigen Organe gegenüber den Begrenzungsorganen gesteuerte
Ventilanordnungen zum Ein-und Auslass des zu fördernden bzw. antreibenden Mediums
während der Hin- bzw. Rucklaufphase der oszillierenden axialen Relativbewegung der
kolbenartigen Organe vorgesehen sind.
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Eine derartige Schubkolbenpumpe ist beispielsweise aus der britischen
Patentsohrift 306.985 und ein solcher Schubkolbenmotor aus der US-Patentschrift
2.896.590 bekannt geworden.
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Bei den bekannten Schubkolbenpumpen und -motoren der obengenannten
Art besteht nun - insbesondere wenn diese als hydraulische Puppen verwendet werden,
d.h. wenn das zu fördernde bzw. das antreibende Medium eine Plüssigkeit und damit
praktisch inkompressibel ist - die Schwierigkeit, das bei einer Steurung der Ventilanordnung
zum Ein- und Auslass des zu fördernden bzw. antreibenden Mediums durch die azimutale
Relativbewegung der Welle bzw. der nit dieser drehfest gekoppelten Organe gegenüber
den Zylinder bzw. den mit diesem drehfest gekoppelten Organe und/oder durch die
axiale Relativbewegung der kolbenartigen Organe gegenüber den Begrenzungsorganen
innerhalb eines Umlaufes der Welle gegenüber dem Zylinder Jeweils ein oder ihrer
Winkelbereiche auftreten, in denen Ein- und Auslassventilo geschlossen sind und
eine Volumenänderung des Kompressionsraumes der kolbenartigen Organe stattfindet.
Wenn nun das su fördernde bzw. antreibende Medium eine Flüssigkeit ist, dann führt
eine solche Volumenveränderung bei geschlossenen Ventilen im Falle, das der Kompressionsraum
mit dem Medium gefüllt ist und die Volumenveränderung eine Volumen-Verminderung
ist, zu einem ausserordentlich starken Ansteigen
des Druckes des
in dem Kompressionsraum befindlichen Mediums, und dieser Druckanetieg macht sich
einerseits in einem Rückschlag auf den Pumpenantrieb bzw. auf den durch eine zweite
Motorstufe bewirkten Antrieb bemerkbar und führt andererseits zu einer sehr starken
Abnützung der genannten wellenförmigen Fläche, durch die die axiale Relativbewegung
der kolbenartigen Organe erzielt wird. Ausserdem kann ein solcher Druckanstieg in
besonders ungünstigen Fällen sogar zur Zerstörung der Schubkolbenpumpe bzw. des
Schubkolbenmotore führen.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabenstellung war nun, eine
Schubkolbenpumpe bzw. einen Schubkolbenmotor der eingangs genannten Art zu schaffen,
bei der bzw. dem diese Mängel und Nachteile der bekannten Schubkolbenpumpen und
-motoren vermieden sind.
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Erfindungsgemäss wird das bei einer Schubkolbenpumpe oder einem Schubkolbenmotor
der eingangs genannten Art dadurch erreicht, dass mindestens eines der Begrenzungsorgane
in axialer Richtung verschiebbar gelagert iet und durch mindestens ein unter Vorspannung
stehendes federndes Element in einer Normallage gehalten und aus dieser nur verschoben
wird, wenn die auf das Begrenzungsorgan gegen die Federkraft des bzw. der federnden
Elemente wirkenden Kräfte in ihrer Gesamtheit die Haltekraft überschreiten, die
von dem bzw. den federnden Elementen aufgrund ihrer Vorspannung auf das Begrenzungsorgan
in seiner Normallage ausgeübt wird, so dass der Druck des zu fördernden bzw. antreibenden
Mediums im Kompressionsraum des dem verschiebbar gelagerten Begrenzungsorgan zugeordneten
kolbonartigen Organes von dem Druckwert an, bei dem die von dem Druck des zu fördernden
bzw. antreibenden Mediums verursachten Kräfte die genannte Haltekraft überschreiten,
annähernd konstant gehalten bzw. nur noch im Masse der durch die Verschiebung des
Begrenzungsorganes verursachten Erhöhung der Federkraft des bzw. der federnden Elemente
ansteigt.
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Vorteilhaft kann dabei die Vorspannung von mindestens einem federnden
Element und damit die Haltekraft, die von diesem
federnden Element
aufgrund seiner Vorspannung auf das zugeordnete Begrenzungeorgan ausgeübt wird,
veränderbar sein, so dass der genannte Druckwert, von dem an der Druck des zu fördernden
bzw. antreibenden Mediums annähernd konstant gehalten wird bzw. nur noch im Masse
der durch die Verschiebung des Begrenzungsorganes verursachten Erhöhung der Federkraft
des bzw. der federnden Elemente aneteigt, veränderbar ist.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsforn der vorliegenden
Schubkolbenpumpe können mindestens das bzw. die verschiebbar gelagerten Begrenzungsorgane
einen im wesentlichen ringförmigen Querschnitt haben, dessen äußerer Durchmesser
dem Innendurchmesser des Zylinders und dessen innerer Durchmesser dem Aussendurchmesser
der Welle entspricht, und das bzw. die diesen verschiebbar gelagerten Begrenzungsorganen
zugeordneten federnden Elemente können zweckmässig Spiralfedern oder Tellerfedern
sein, die einerseits jeweils an derjenigen Längseeite des zugeordneten verschiebbaren
Begrenzungeorganes, die von dem mit dem Begrenzungsorgan zusammenwirkenden kolbenartigen
Organ abgewandt ist, und andererseits jeweils an einem mit dem zugeordneten verschiebbaren
Begrenzungsorgan drehfest gekoppelten Teil der Pumpe abgestützt sind.
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Dabei können mit besonderem Vorteil das bzw. die Begrenzungsorgane
mit dem Zylinder drehfest gekoppelt sein, uod das bzw.
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die verschiebbar gelagerten Begreneungsorgane können hierfür zweckmässig
mit Nuten in ihren an der Zylinderinnenwand anliegenden Aussenwänden versehen sein,
in die fest mit dem Zylinder verbundene Teile eingreifen, die gleichzeitig mit den
Nutenquerwänden zusammenwirkende Anschläge bilden, um die verschiebbar gelagerten
jeweils mit der Haltekraft des bzw.
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der zugeordneten federnden Elemente beaufschlagten Begrenzungsorgane
in ihrer Normallage zu halten, solange die gegen die Federkraft des bzw. der zugeordneten
federnden Elemente wirkenden Kräfte die Haltekraft nicht überschreiten.
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Die durch das verschiebbar gelagerte Begrenzungsorgan erzielt Verhinderung
eines wesentlichen Druckanstieges des
im Kompressionsraum befindlichen
zu fördernden bzw. antrnibenden Mediums bei geschlossenen Ventilen über einen betimmten
Druckwert hinaus kann durch eine zweckmässige, aug die Relativbewegung der kolbenartigen
Organe in axialer Richtung abgestimmte Ausbildung der Ventilanordnungen in der Weise,
dass sich bei geschlossenen Ventilen das Volumen des Kompres sionsraumes nur sehr
geringfügig ändert, noch unterstützt werden. Zu diesem Zweck kann die vorliegende
Schubkolbenpumpe bzw. der vorliegende Schubkolbenmotor vorteilhaft weiter so ausgebildet
sein, dass die in azimutaler Richtung wellenförmig verlaufenden Flächen vom höchsten
Punkt eines Wellenberges aus über 360 Winkelgrade bis wieder zu dem gleichen Punkt
zwei volle Kosinuswellen durchlaufen, und dass die Ventilanordnungen zum Ein- und
Auslass des zu fördernden bzw. antreibenden Mediums erstens für jedes kolbenartige
Organ Je eine in dem feststehenden der beiden relativ zueinander bewegten Teile
Welle und Zylinder" angeordnete und in den von dem kolbenartigen Organ überdeckten
Bereich dieses feststehenden Teiles mündende Eingangs- und Ausgangsleitung und zweitens
für jeden an ein kolbenartiges Organ angrenzenden Kompressionsraum je zwei von dem
Kompressionsraum ausgehende und an dem feststehenden Teil bis in den Bereich der
Mündung der Eingangs- und Ausgangsleitung entlanglaufende Steuernuten in dem kolbenartigen
Organ umfassen, wobei die Mitten Aer MUndungen der Eingangs- und Ausgangsleitung
gegeneinander um 900 und die Mitten der Steuernuten gegeneinander um 1800 in azimutaler
Richtung versetzt sind und die Summe aus dem von der Breite der Steuernuten in azimutaler
Richtung überdeckten Winkelbereich und dem von der Oeffnungsweite der Mündungen
in azimutaler Richtung überdeckten Winkelbereich kleiner als gO° ist, und dass für
jeden an ein kolbenartiges Organ angrenzenden Kompressronsraum die dem Kompressionsraum
zugeordneten Steuernuten, die den kolbenartigen Organen zugeordneten Mündungen von
Eingangs- und Ausgangsleitung, die wellenförmig verlaufende Pläche an mindestens
einem der beiden dem Kompressionsraum zugeordneten Organe "Begrenzungsorgan und
kolbenartiges Organ" und die Auflagepunkte des anderen Organes auf dieser wellenförmig
verlaufenden Fläche relativ zueinander so angeordnet
sind, dass
erstens die Auflagepunkte auf den beiden höchsten Punkten der Wellenberge der wellenförmig
verlaufenden Pläche aufliegen, wenn die beiden Winkelhalbierenden zwischen zwei
auf die Mitten der beiden Mündungen weisenden, von einem Wellenachsenpunkt ausgehenden
Radiusvektoren mit den beiden Winkelhalbierenden zwischen zwei auf die Mitten der
beiden Steuernuten weisenden, vom gleichen Wellenachsenpunkt ausgehenden Radiusvektoren
zusammenfallen, und dass zweitens diese zusammenfallenden Winkelhalbierenden in
die gleichen Richtungen weißen wie zwei von der Wellenachse ausgehende, auf die
mit den beiden höchsten Punkten der Wellenberge zusammenfallenden Auflagepunkte
gerichtete Radiusvektoren.
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Dabei können sowohl die kolbenartigen Organe wie auch die zugeordneten
Begrenzungsorgane in den Bereichen, in denen sie aneinandergrenzen, mit wellenförmig
verlaufenden, auf 360° zwei volle Kosinuswellen durchlaufenden Flächen versehen
sein, und die Breite dieser Fläohen in radialer Richtung kann zweckmässig gleich
der Differenz zwischen dem Radius der Zylinderinnenwand und dem Wellenradius sein,
wobei dann Jeweils zwischen den beiden dem gleichen Kompressionsraum tugeordneten
Steuernuten ein durch das die Steuernuten tragende kolbenartige Organ hindurchführender
Verbindungakanal vorgesehen ist.
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Es kann aber auch von den kolbenartigen Organen und den zugeordneten
Begrenzungsorganen in den Bereichen, in denen eie aneinandergrenzen, jeweils ein
Organ mit einer wellenförmig verlaufenden0 auf 3600 zwei volle Kosinuswellen durchlaufenden
Fläche und das andere Organ mit zwei die Auflagepunkte dieses Organes auf der wellenförmig
verlaufenden Fläche bildenden drehbar gelagerten Rollen versehen sein, deren Drehachsen
mit vom gleichen Punkt der Wellenachse ausgehenden gegeneinander um 1800 versetzten
Radiusvektoren zusammenfallen.
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Mit besonderem Vorteil können ferner die kolbenartigen Organe
zwischen
jeweils zwei Begrenzungsorganen angeordnet sein und je vier Steuernuten aufweisen,
deren Mitten um jeweils 90° gegeneinander versetzt sind und von denen zwei gegenüberliegende
von dem Kompressionsraum auf der einen Seite des kolbenartigen Organes und die anderen
beiden gegenüberliegenden von dem Kompressionsraum auf der anderen Seite des kolbenartigen
Organes ausgehen, wobei die jeweils dem gleichen kolbenartigen Organ zugeordneten
beiden Begrenzungsorgane derart angeordnet sind, dass eine Verbindungslinie zwischen
den beiden am weitesten in Richtung auf das kolbenartige Organ vorstehenden Punkten
des einen Begrenzungsorganes parallel zu einer Verbindungslinie zwischen den beiden
am weitesten in Richtung auf das kolbenartige Organ vorstehenden Punkten des anderen
Begrenzungsorganes verläuft, und wobei ferner die kolbenartigen Organe derart ausgebildet
sind, dass eine Verbindungslinie zwischen den beiden am weitesten vorstehenden Punkten
auf ihrer einen Seite senkrecht zu einer VerbindungBlinie zwischen den beiden am
weitesten vorStehenden Punkten auf ihrer anderen Seite verläuft, Anhand der nachstehenden
Pig.uren ist die Erfindung im Folgenden an einem Ausführungsbeispiel sowie einer
Variante desselben näher erläutert, Es zeigen Fig. 1 einen Längs schnitt einer Schubkolbenpumpe
nach der Erfindung Fig. 2 einen Querschnitt durch die in Fig. 1 gezeigte Schubkolbenpumpe
in der Ebene I - I; Fig. 3 einen teilweisen Längeschnitt einer Variante der in Fig.
1 gezeigten Schubkolbenpumpe.
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Die in Fig. 1 gezeigte Schubkolbenpumpe hat zwei kolbenartige Organe
1 und 2, die koaxial auf der Welle 3 angeordnet sind und von dem konzentrisch zu
der Welle 3 angeordneten, mit seiner Innenwand an ihren Aussenwänden anliegenden
Zylinder 4
umgeben sind. Die kolbenartigen Organe 1 und 2 bewegen
sich bei einer Drehung der Welle 3 zwischen den beiden Begrenzungsorganen 5 und
6 bzw. zwischen den beiden Begrenzung. Organen 6 und 7 in axialer Richtung hin und
her. Diese Hin- und Herbewegung der kolbenartigen Organ 1 und 2 wird dadurch erreicht,
dass die kolbenartigen Organ duroh die in halbzylindriecht Nuten 8 und 9 in der
Welle 3 einerseits und den kolbenartigen Organen 1 und 2 andererseits eingreifenden
Kugeln 10 drehfest mit der Welle 3 gekoppelt sind und die Begrenzungs-Organ. 5,
6 und 7 zumindest hinsichtlich ihrer Winkellage mittels der Fixierstifte 11, 12
und 13 an den feststehenden Zylinder 4 fixiert sind , und dass die Begrenzungsorgane
5, 6 und 7 und die kolbenartigen Organe 1 und 2 an ihren einander zugewandten Seiten
mit in azimutaler Richtung wellenförmig verlaufenden Flächen versehen sind, die
vom höchsten Punkt eines Wellenberges aus über 360 Winkelgrade bis wieder tu den
gleichen Punkt zwei volle Kosinuswellen durchlaufen. Die jeweil. dem gleichen kolbenartigen
Organ, zum Beispiel dem kolbenartigen Organ 1, zugeordneten Begrenzungsorgane, zum
Beispiel 5 und 6, sind dabei relativ zueinander so angeordnet, dass eine Verbindungslinie
zwischen den beiden höchsten Punkten an den zwei Wellenbergen des einen Begrenzungsorganes
5 parallel zu einer Verbindungslinie zwischen den beiden hbohsten Punkten an den
zwei Wellenbergen des anderen Begrentungoorgane. 6 (auf dessen den kolbenartigen
Organ 1 zugewandter Seite) verläuft, und die kolbenartigen Organe, zum Beispiel
1, sind so ausgebildet, dass eine Verbindungslinie zwischen den beiden höchsten
Punkten an den zwei Wellenbergen suf der einen Seite des kolbenartigen Organes 1
senkrecht zu einer Verbindungslinie zwischen den beiden höchsten Punkten an den
zwei Wellenbergen auf der anderen Seite des kolbenartigen Organe 1 verläuft. Bei
einer derartigen Ausbildung und Anordnung der kolbenartigen Organe und der zugeordneten
Begrenzungsorgane ergibt sich bei Drehung der Welle 9 eine zwangsläufige Hin- und
Herbewegung der kolbenartigen Organe zwischen den
zugeordneten
Begrenzungsorganen, wobei sich die kolbenartigen Organe bei jeder Umdrehung der
Welle 3 zweimal hin und her bewegen. Dabei wird das Volumen des zwischen einem kolbenartigen
Organ, zum Beispiel 1, einerseits und einem zugeordneten Begrenzungsorgan, zum Beispiel
5, andererseits gebildeten Kompressionsraumes 14a, 14b abwechselnd vergrössert und
verkleinert, und zwar bei der in Fig. 1 gezeigten Ausbildung vom Volumen Null (vergleiche
Kompressionsraum zwischen dem kolbenartigen Organ 1 und dem Begrenzungsorgan 6 in
der in Fig. 1 dargestellten Stellung der beiden Organe zueinander) bis etwa zum
Volumen a#(ra² - ri²), (vergleiche Kompressionsraum 14a, 14b zwischen dem kolbenartigen
Organ 1 und dem Begrenzung.-organ 5 in der in Fig. 1 dargestellten Stellung der
beiden Organe relativ zueinander), wenn mit a der Kolbenhub bzw. der Niveau-Unterschied
zwischen dem höchsten Punkt eines Wellenbergen und dem tiefsten Punkt eines Wellentales
der wellenförmig verlaufenden Flächen, mit ra der halbe Innendurchmeser des Zylinders
4 und mit ri der halbe Durchmesser der Welle 3 bezeichnet wird. Der Kompressionsraum
14a, 14b wird über eine der beiden von diesem ausgehenden und bis in den Bereich
der Mündungen l6a und 17a der (in Fig. 1 nicht gezeigten) Eingangs- und Ausgangsleitung
reichenden Steuernuten 15a und 15b in dem kolbenartigen Organ 1 an die Eingangs-
oder Ausgangs.
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leitung 16 bzw. 17 angeschlossen, und zwar jeweils beim Saughub des
kolbenartigen Organes 1 an die Eingangsleitung und beim Druckhub an die Ausgangsleitung.
Welche von den beiden in Fig. 2 gezeigten Leitungen 16 und 17 die Eingangsleitung
und welche die Ausgangsleitung bildet, hängt von der Drehrichtung der Welle 3 ab.
Wenn sich die Welle 3 in Fig. 2 im Uhrzeigersinn dreht, bildet die Leitung 16 die
Ausgangsleitung und die Leitung 17 die Eingangsleitung. Die Mitten der Mdndungen
der Eingangs- und-Auagangaleitung 16 und 17 sind gegeneinander - wie in Fig. 2 ersichtlich
- um 900 und die Mitten der jeweils dem gleichen Kompressionsraum (zum Beispiel
14a,14b) zugeordneten beiden Steuernuten 15a und 15b gegeneinander -wie
in
den Fig. 1 und 2 ersichtlich - um 1800 in azimutaler Richtung versetzt, und die
Summe aus dem von der Breite der Steuernuten in azimutaler Richtung überdeckten
Winkelbereich a und dem von der Oeffnungsbreite der Mündungen der Ein- und Ausgangsleitung
überdeckten Winkelbereich ß ist kleiner als 90°.
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Es ist in diesem Zusammenhang zu bemerken, dass die Steuernuten 15a
und 15b gemeinsam dem Kompressionsraum 14a, 14b zugeordnet sind, und daes die FUllung
des gesamten Kompressioneraumes und auch die Entleerung desselben jeweils über eine
der beiden Steuernuten erfolgt. Diese Bemerkung erscheint insofern wichtig, als
die Fig. 1 den Eindruck erwecken könnte, als ob die Steuernute 15a nur dem Teil
14a und die steuernut 15b nur dem Teil 14b des Kompressionsraumes 14a und 14b zugeordnet
sei. Tatsächlich stehen aber dieee beiden Teile 14a und 14b des Kompressionsraumes
14a,14b miteinander in Verbindung, zumindest dann, wenn die Breite der wellenförmig
verlaufenden Fläche an dem Begrenzungsorgan 5 einerseits und dem kolbenartigen Organ
1 andererseits geringer als die Differenz c zwischen dem Radius der Zylinderinnenwand
und dem Wellenradius ist. Ist allerdings die Breite dieser wellenförmigen Flächen
in radialer Richtung gleich dieser Differenz o, dann sind die beiden Teile 14a und
14b des Kompressionsraumes 14a,14b voneinander getrennt, und in diesem Fall ist
es erforderlich, entweder zwischen den beiden dem gleichen Kompressionsraum 14a,14b
zugeordneten Steuernuten 15a und 15b einen durch das kolbenartige Organ 1 hindurchfffhrenden
Verbindungskanal 18 vorzusehen, oder aber anstatt Jeweils einer Eingangsleitung
und einer Ausgangsleitung für jedes kolbenartige Organ je zwei Eingangsleitungen
und zwei Ausgangsleitungen für jedes kolbenartige Organ vorzusehen, wobei die zusätzlichen
beiden Leitungen in Fig. 2 so anzuordnen wären, dass anstatt der dargestellten zwei
Leitungen vier jeweils um 900 gegeneinander versetzte Leitungen vorhanden wären.
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Verbindungskanäle (z.B. 18) zwischen den beiden von den gleichen Kompressionsraum
(z.B. 14a,14b) ausgehenden Steuernuten (z.B. 15a und 15b) können natürlich auch
dann vorgesehen werden, wenn die genannte Breite der wellenförmig verlaufenden Flächen
kleiner als die genannte Differenz c ist. Wenn sie auch in diesem Fall nicht unbedingt
erforderlich sind, so sind sie doch für eine Erhöhung der Füllgeschwindigkeit des
Kompressionsraumes beim Saughub von wesentlichem Vorteil und solche Füllgeschwindigkeitserhöhungen
sind insbesondere bei der Förderung von relativ zähen Flüssigkeiten und such bei
hohen Drehzahlen bzw. hohen Pumpgeschwindigkeiten wünschenswert.
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Die Mitten der von dem Kompressionsraum 19 zwischen dem Begrenzunge
organ 6 und dem kolbenartigen Organ 1 ausgehenden beiden Steuernuten 20 und 21 sind
(ebenso wie die Mitten der beiden Steuernuten 15a und 15b) gegeneinander um 180°
und gegen die Mitten der beiden Steuernuten 15a und 15b um jeweils 90° in atimutaler
Richtung versetzt, und die Steuernuten 20 und 21 reichen (ebenso wie die Steuernuten
15a und 15b) bis in den Bereich der Mündungen 16a und 17a der Eingangs- und Ausgangsleitung
16 und 17. ferner sind die Steuernuten 20 und 21 (ebenso wie die Steuernuten 15a
und 15b durch den Verbindungekanal 18) durch einen Verbindungskanal 22 miteinander
verbunden.
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Im Zusammenhang damit dass die beiden Kompressionsräume 19 und 14a,
14b über die gleiche Eingangsleitung versorgt werden und das zu fördernde Medium
aus diesem Kompressionsraum über die gleiche Ausgangsleitung abfliesst, ist zu bemerken,
dass die beiden Kompressionsräume 19 und 14a,14b nicht miteinander in Verbindung
stehen, denn die von den beiden Kompressionsräumen ausgehenden Steuernuten sind
relativ zueinander so angeordnet, dass jeweils der eine Kompressionsraum mit der
Eingangsleitung verbunden ist, während der andere Kompressionsraum mit der Ausgangsleitung
verbunden ist, und umgekehrt.
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Die beiden Kompressionsräume 19 und 14a,14b bilden daher zwei voneinander
unabhängige, mit einer Phasenverschiebung von 1800 gegeneinander arbeitende Pumpräume.
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Bei dem Ausführungsbeispiel in Fig. 1 ist zusätzlich zu dem sich zwischen
den Begrenzungsorganen 5 und 6 (linke Seite) hin und her bewegenden kolbenartigen
Organ 1 noch ein weitere. kolbenartiges Organ 2 vorgesehen, das sich zwischen den
Begrenzungsorganen 6 (rechte Seite) und 7 hin und her bewegt.
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Das Zusammenwirken des kolbenartigen Organes 2 mit den beiden zugeordneten
Begrenzungsorganen 6 (rechte Seite) und 7 vollzieht sich in gleicher Weise wie das
oben beschriebene Zusammenwirken des kolbenartigen Organes 1 mit den beiden zugeordneten
Begrenzungsorganen 5 und 6 (linke Seite). Unterschiedlich ist lediglich die Phasenlage
der 5aug- und Druckhube der kolbenartigen Organe 1 und 2, weil die gesamte aus dem
kolbenartigen Organ 2 und den beiden zugeordneten Begrenzungsorganen 6 (rechte Seite)
und 7 bestehende Anordnung gegenüber der aus dem kolbenartigen Organ 1 und den beiden
zugeordneten Begrenzungsorganen 5 und 6 (linke Seite) bestehenden Anordnung um 450
versetzt angeordnet ist. Durch diese Versetzung der genannten beiden Anordnungen
gegeneinander wird erreicht, dass die Belastung der Welle 3 gleichmässiger verteilt
wird und damit ein stossfreierer Lauf der Welle ermöglicht wird. In diesem Zusammenhang
ist zu bemerken, das ein Schnitt in der Ebene II - II in der dargestellten Stellung
das gleiche Schnittbild wie in Fig. 2 dargestellt liefert, wobei man eich Jedoch
die ganze Fig. 2 um 450 im Gegenuhrzeigersinn gedreht vorzustellen ha.
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Anstatt der in Fig. 1 gezeigten Ausbildung der kolbenartigen Organe
1 und 2 können diese auch wie in Fig. 3 dargestellt au.gebildet sein. Die Lage der
am weitesten vorstehenden Punkte der Rollen 23 und 24 entspricht dabei der Lage
der Scheitelpunkte der Wellenberge der wellenförmig verlaufenden Flächen auf den
beiden Seiten z.B. des kolbenartigen Organes 1. D.s in Fig. 3 gezeigte kolbenartige
Organ 25 ist im übrigen in gleicher Weise wie die kolbenartigen Organe 1 und 2 mit
Je vier Steuernuten versehen, deren Mitten um Jeweils 900 gegoneinander versetzt
sind und von denen zwei gegenüberliegende
von dem Kompressionsraum
26 auf der einen Seite des kolbenartigen Organes 25 und die anderen beiden gegenüberliegenden
von dem Kompressionsraum 27 auf der anderen Seite des kolbenartigen Organes 25 ausgehen.
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Verbindungskanäle zwischen den gegenüberliegenden Steuernuten wie
die Verbindungekanäle 18 und 22 bei den in Fig. 1 dargestellten kolbenartigen Organen
1 und 2 sind bei einer Ausbildung der kolbenartigen Organe wie in Fig. 3 nicht erforderlich.
Sie können auch die Strd.mungsgeschwindigkeit beim Ein- und Ausfluss des zu fördernden
Mediums nicht wesentlich erhöhen. Die Begrenzungeorgane 5 und 6 sind dabei vollständig
gleich ausgebildet wie in Fig. 1. Anstatt die kolbenartigen Organe mit Rollen 23
und 24 zu versehen und in gleicher Weise wie in Fig. 1 ausgebildete Begrenzungsorgano
5 und 6 zu verwenden, kann man auch die Begrenzungsorgane mit Rollen versehen und
kolbenartige Organe verwenden, die in gleicher Weise wie in Fig. 1 ausgebildet sind.
In diesem letzteren Fall wären die Rollen so anzuordnen, dass ihre am weitesten
in Richtung auf das kolbenartige Organ vorstehenden Punkte die gleiche Xage haben
wie die Scheitelpunkte der Wellenberge der wellenförmig verlaufenden Flächen an
den Begrenzungsorganen.
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Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist nun das Begrenzungsorgan
5 in axialer Richtung verschiebbar gelagert und wird durch die unter Vorspannung
stehende Feder 28 in seiner in Fig. 1 gezeigten Normallage gehalten. Aus dieser
Normallage wird das Begrenzungsorgan 5 nur verschoben, wenn die auf das Begrenzungsorgan
5 gegen die Federkraft der Feder 28 wirkenden Kräfte in ihrer Gesamtheit die Haltekraft
überschreiten, die von der vorgespannten Feder 28 auf das Begrenzungsorgan 5 in
seiner Normallage ausgeübt wird. Der Druck des zu fördernden Mediums im Kompressionsraum
14a,14b des dem verschiebbar gelagerten Begrenzungsorgan 5 zugeordneten kolbenartigen
Organes 1 wird dabei von dem Druckwert an, bei dem die von dem Druck des zu fördernden
Mediums verursachten, auf das
verschiebbar gelagert Begrenzung.
organ 5 wirkenden Kräfte die Haltekraft der Weder 28 überschreiten, annähernd konstant
gehalten, genauer gesagt steigt dieser Druck des zu fdrdernden Mediums im Kompressionsraum
von dem genannten Druckwert an nur noch im Masse der durch die VorschiebunE des
Begrenzungsorganes 5 verursachten Erhöhung der Federkraft der Feder 28 an.
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Nun ist die Vorspannung der Feder 28 und damit die Haltekraft, die
von dieser auf das Begrenzungsorgan 5 ausgeübt wird, mittels der Stellschraube 29
veränderbar, und dementsprechend ist auch der genannte Druckwert veränderbar, von
dem an der Druck des zu fördernden Mediums annähernd konstant gehalten wird bzw.
nur noch im Masse der durch die Verschiebung des Begrenzungsorganes 5 verursachten
Erhöhung der Federkraft der Peder 28 ansteigt.
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Damit das Begrenzungsorgan 5 einerseits in axialer Richtung verschiebbar
ist, andererseits aber in seiner Winkellage relativ zu dem feststehenden Zylinder
4 fixiert ist, ist in seiner an der Zylinderinnenwand anliegenden Aussenwand die
sich in axialer Richtung erstreckende Längsnute 30 vorgesehen, in die der fest mit
dem zylinder 4 verbundene Fixierstift 11 eingreift. Der Fixierstift 11 fixiert die
Winkellage des Begrenzungsorganes 5 relativ zu dem feststehenden Zylinder 4 und
bildet gleichzeitig einen mit der Nutenquerwand 30a zugammenwirkenden Anschlag,
um das verschiebbar gelagerte, mit der Haltekraft der Feder 28 beaufschlate Begrenzungsorgan
5 in seiner Normallage zu halten, solange die gegen die Federkraft der Feder 28
wirkenden Kräfte dies Haltekraft nicht überschreiten.
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Wenn nun beispiesiweise das zu fördernde Medium eine Flüssigkeit ist,
so wird sich im Falle, dass der Druck der im Kompressionsraum 14a, 14b befindlichen
Flüssigkeit über den genannten Druckwert ansteigt, von dem an der Druck des zu fördernden
Mediums annähernd konstant gehalten wird, zunächst
eine geringfügige
Verschiebung des Begrenzungsorganes 5 gegen die Feder 28 (in Fig. 1 nach links)
ergeben. Dadurch kann sich die Flüssigkeit im Kompressionsraum 14a, 14b in entsprechenden
Masse ausdehnen, und wegen der Inkompressibilität von Flüssig keiten wird mit dieser
Ausdehnung ein starker Druckabfall innerhalb der Flüssigkeit verbunden eein, so
dass der Flüs.igkeitedruck wieder bis auf etwa den genannten Druckwert absinkt.
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Ebenso wie das Begrenzungsorgan 5 können natürlich auch die Begreneungaorgane
6 und 7 in axialer Richtung verschiebbar gelagert sein und durch eine unter Vorspannung
stehende Feder in ihrer Normallage gehalten werden, das Begrenzungaorgan 7 beispielsweise
dadurch, dass an der Rückseite desselben ebenso wie bei dem Begrenzungsorgan 5 eine
Spiralfeder angeordnet wird und anstatt des für den Fixierstift 13 vorgesehenen
Loches im Begrenzungsorgan 7 eine Längenute angebracht wird, und das Begrenzungsorgan
b dadurch, dass es in der Mitte aufgeteilt wird und zwischen den Enden an der Aufteilungsstelle
eine Spiralfeder angeordnet wird und ferner beide Teile des aufgeteilten Begrenzungsorganes
6 mit je einer iaängsnute und Je einem in dieselbe eingreifenden Fixierstift versehen
werden.
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Bei der obigen Darstellung der Funktionsweise des verschiebbar gelagerten
Begrenzung. organes 5 im Palle einer Flüssigkeit als zu fflrdernden Medium war zunächst
stillschweigend zur Vereinfachung der Erklärung eine stationäre Betrachtungoweiee
angewandt worden, d.h. es war stillschweigend vorausgesetzt worden, dass sich das
Volumen des Kompressionsraumes 14a, 14b während der Verschiebung des Begrenzungsorganes
5, abgesehen von der durch dies Verschiebung verursachten Volumenänderung, nicht
verändert. Eine zweite stillschweigend gemachte Voraussetzung war die, das die Flüssigkeit
ii Konpressioneraum keine andere Möglichkeit hat, ihr in dem Kompressionsraum befindliches
Flüssigkeitsvolumen zu verändern, als eben die durch die Verschiebung des Begrenzungsorganes
5 bewirkte Volumenausdehnung.
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Nun ist die genannte stationäre Betrachtungsweise in dr Pruis Jedoch
nicht anwendbar, weil sich das Volumen des Kompressionsraumes 14a, 14b mit der Drehung
des kolbenartigen Organe. 1 ständig ändert, und die genannt. zweite Voraussetzung
ist nur dann erfüllt, wenn sowohl das den Zufluss zu dem Kompressionsraum 14a, 14b
steuernde Einlassventil (durch das ein Rückfluss der im Kompressionsraum 14a, 14b
befindlichen Flüssigkeit möglich wäre) als auch du den Abfluss aus den Kompressionsraum
14a, 14b steuernde Auslassventil geschlossen ist, also beispielsweise in der in
Fig. 2 dargestellten Stellung des kolbenartigen Organes 1 relativ zu den Zylinder
4 bzw.
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der Steuernuten 15a und 15b relativ zu den Mündungen 16a und 17a der
Eingangsleitung 16,17.
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Wenn man nun annehmen würde, dass sich das Volumen des Kompressionsraumes
14a, 14b während der durch einen Druckanstieg der Flüssigkeit in Kompressionsraum
verursachten Verschiebung des Begrenzungsorganes 5 infolge des gleichzeitigen Weiterdrehens
des kolbenartigen Organes 1 wesentlich vorringern würde, so würde durch das Zusammenwirken
dieser Volumenverringerung mit dem gegen eine Federkraft erfolgenden Rücklauf des
Begrenzungsorganos 5 eine Druckschwingung in der in Kompressionsraum befindlichen
Flüssigkeit angeregt werden, deren Druckmaxima weit über dem genannten Druckwert
liegen könnten, bei dem das Begrenzungsorgan 5 anspricht. Eine solche Ausbildung
einer Druokschvingung mit weit über den genannten Druckwert liegenden Druckmaxima
ist Jedoch höchst unerwünscht, weil sie einer seits in ungünstigen Fällen zu einer
Zerstörung der Pumpe führen kann, zumindest aber zu einen erhöhten Verschleiss der
Pumpe und zu unerwünschten Rückwirkungen auf den Antrieb der Welle 3 führt.
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Eine solch die vorteilhafte Wirkung des bzw. der verschiebbar gelagerten,
von vorgespannten Federn bis su einen bestimmten Ansprechdruckwert in ihrer Normallage
gehaltenen und oberhalb dieses Ansprechdruckwertes als Druckbegrenzer wirkenden
Begrenzungsorgane unter Umständen in Frage stellende Druckschwingung
kann
nun durch eine zweckmässige, auf die Relativbewegung der kolbenartigen Organe in
axialer Richtung, abgestimmte Ausbildung der Ventilanordnungen in der Weise, dass
sich bei geschlossenen Ventilen das Volumen des kolbenartigen Organes nur sehr geringfügig
ändert, praktisch nahezu vollständig verhindert werden. Eine nur sehr geringfügige
Aenderung des Volumens des Kompressionsraumes bei geschlossenen Ventilen kann nun
dadurch erreicht werden, dass wie bei dem Ausführungsbeispiel die kolbenartigen
Organe am Wellenberg einer Kosinuswelle bzw. einer entsprechend wellenförmig verlaufenden
Fläche vorbeigeführt werden, wenn Ein- und Auslassventile geschlossen sind. In den
Figuren 1 und 2 ist dies beim Ausführungsbeispiel deutlich ersichtlich: das kolbenartige
Organ 1 wird, wie ig.l zeigt, am Wellenberg der Kosinuswelle bzw der entsprechend
wellenförmig verlaufenden Fläche an Begrenzung. organ 5 vorbeigeführt, wenn Einlasc-
und Auslassventil, wis Pig. 2 zeigt, geschlossen sind, bzw. wenn weder die Steuernute
15a noch die Steuernute 15b mit der Mündung 16a bzw. 17a der Eingangs- oder Ausgangsleitung
in Verbindung steht.
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Allgemein sind zur Erzielung einer möglichst geringfügigen Volumenänderung
des Kompressionsraumes in dem Bereich, in dem die dem Kompressionsraum zugeordneten
Ventile geschlossen sind, die dem Ko.pressionsraum ugeordneten be um 1800 gogeneinander
versetzten Steuernuten, die um 90° gegeneinander vorsetzten Mündungen von Ein- und
Auslassleitung, die wellenförmig verlaufende, insgesamt zwei volle Kosinuswellen
durchlaufende Fläche an mindestens einem der beiden dem Kompressionsraum zugeordneten
Organe "Begrenzungsorgan und kolbenartiges Organ" und die Auflagepunkte des anderen
Organe. auf dieser wellenförmig verlaufenden Fläche relativ zueinander so anzuordnen,
dass erstens die Auflagepunkte auf den beiden höchsten Punkten der Wellenberge der
wellenförmig verlaufenden Fläche aufliegen, wenn die beiden Winkelhalbierenden zwischen
zwei auf die Mitten der beiden Mündungen weisenden, von einem Wellenachsenpunkt
ausgehenden Radiusvektoren mit % den beiden Wil'kelhalbierenden zwischen zwei auf
die Mitten der beiden Steuernuten weisenden,
vom gleichen Wellenachsenpunkt
ausgehenden Radiusvektoren zusammenfallen, und dass zweitens diese zusammenfallenden
Winkelhalbierenden in die gleiche Richtung weisen wie- zwei von der Wellenachse
ausgehende, auf die damit den beiden höchstern Punkten der Wellenberge zusammenfallenden
Auflagepunkte gerichtete Radiusvektoren.
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Die beiden Mündungen 16a und 17a der Eingangs- und Ausgangsleitung
und damit Einlass- und Auslassventil bleiben nun, wie sich aus Fig. 2 ableiten läss,
über einen Drehwinkel des kolbenartigen Organe. 1 von 900 - a - ß geschlossen, wenn
mit a der von der Breite der Steuernut in azimutaler Richtung überdeckte Winkelbereich
und nit ß der von der Oeffnungsweite der Mündungen 16a und 17a in azimutaler Richtung
überdeckte Winkelbereich bezeichnet wird, Damit nun innerhalb dieses Schliessungsbereiches
die Volumenänderung des Kompressionsraumes tatsächlich sehr geringfügig bleibt,
darf der Schliessungsbereich nicht zu große werden. Wenn beispielsweise die Volumenänderung
des Kompressionsraumes unter 1 % gehalten werden rollt darf der Schliessungsbereich
höchstens 110 202 sein, und bei einer maximal zulässigen Volumenänderung von 0,5
% höchstens 8°, d.h. die Summe der Winkel a un£ fl muss bei einer zulässigen Volumenänderung
von höchstens 1 % grösser als 780 40' und bei einer zulässigen Volumenänderung von
höchstens 0,5 % grösser als 82° sein. Es ist daher zweckmässig, die Breite der Steuernuten
15a, 5b, 20 und 21 und die Oeffnungsweite der Mündungen 16a und 17a so zu wählen,
dass α + ß im Bereich zwischen 80 und 900 liegt.
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Die vorliegende Schubkolbenpumpe hat gegenüber den bekannten Schubkolbenpumpen
der eingangs erwähnten Art den wesentlichen Vorteil, dass ihr Lauf wesentlich ruhiger
und stossfreier vor sich geht und praktisch keine Rückschläge auf die angetriebene
Welle zu verzeichnen sind, dass ausserdem ihr Verschleiss aufgrund dieses ruhigen
Laufes und der Verhinderung von hohen Druckstössen und Druoksohwingungen wesentlich
geringer
als bei den bekannten Schubkolbenpumpen der eingangs
genannten Art ist, dass ferner trotz dieses ruhigen Laufe.
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und das geringen Verschleisses ihr Aufbau im Vergleich zu dem Aufbau
der bekannten Schubkolbenpumpen der eingangs genannten Art, insbesondere auch hinsichtlich
der Steuerventile, wesentlich einfacher ist, und dass schliesslich bei der vorliegenden
Schubkolbenpumpe eine Sicherung gegen Ueberschreitung höchst zulässiger Druckwerte
vorhanden ist. In diesem Zusammenhang ist su erwähnen, dais die vorliegende Schubkolbenpumpe
sehr vorteilhaft als Hochdruckpumpe für flüssige Medien eingesetzt werden n kann,
wobei bei einer mehrstufigen Anordnung, wie beispielsweise bei den in der Zeichnung
gezeigten Ausführungsbeispiel die einzelnen Pumpstufen hintereinander geschaltet
werden n können. Dz verschiebbare Begrenzungsorgan kann in diesen Fall auch als
Ausgangsdruckregler verwendet werden, wobei dann der Ausgangsdruck durch Veränderung
der Vorspannung des den verschiebbaren Begrenzungsorgan zugeordneten federnden Elementes
verändert werden kann.
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Die als Ausführungsbeispiel beschriebene Schubkolbenpumpe kann natürlich
auch als Schubkolbenmotor verwendet werden, ohne dass hierfür eine technische Aenderung
der Schubkolbenpumpe selbst notwendig wärs. In diesen Falle bildet dann die Welle
den Sntrieb des Schubkolbenmotors, der von dem unter Druck stehenden, der Eingangsleitung
sugeführten Medium angetrieben wird.
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Ueberhaupt ist die Fflge, ob die beschriebene Schubkolbenpumpe als
Pumpe oder als Motor arbeitet, nur davon abhängig, ob der Druck des abfliessenden
Mediums innerhalb der mit der Ausgangsleitung verbundenen Kompressionsräume jeweils
grösser oder kleiner als der Druck des zufliessenden Mediums innerhalb der mit der
Eingangsleitung verbundenen Kompressionsräume ist. Ist der Druck des zufliessenden
Mediums Jeweils grösser als der des abfliessenden Mediums, dann arbeitet die Schubkolbenpumpe
als Ilotor, und ißt der Druck des zufliessenden Mediums kleiner als der des abfliessenden
Mediums, dann arbeitet die Schubkolbenpumpe
als Pumpe. Dies gilt
allgemein für alle Schubkolbenpumpen bzw. -motoren der vorliegenden Art, und aus
diesem Grunde wurde auch als Bezeichnung der beschriebenen und beanspruchten Maschinen
der Begriff "Schubkolbenpumpe oder -motor" verwendet.