DE19615689A1 - Hydraulische Saugwidder-Trägheitspumpe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine hydraulische Saugwidder-Trägheitswasserpumpe (vorliegend auch kurz "Saugwidder" genannt), umfassend eine mit Fremdenergie gespeiste Treibwasserleitung, eine Förderleitung, ein Widderventil, das den impuls­ weisen Wasserfluß in der Förderleitung bewirkt, und ein Bodenventil zum Ansaugen des Förderwassers.

Derartige Saugwidder sind mindestens seit 1905 bekannt ("Trägheitsmaschinen als Möglichkeit der hydraulisch-mechanischen Energieumformung", Vortrag von Ivan Cyphelly, Fegawerk/Schweiz, gehalten am IHP der RWTH Aachen, Prof. Back´, 21. Juni 1991). Sie verwenden ein Widderventil, das, wie bei den hydraulischen Wid­ dern mit Treibwasserrohr und natürlichem Gefälle, durch den hydrodynamischen Druckabfall, der durch die Wasserströmung durch das Ventil hindurch entsteht, schlagartig geschlossen wird und bei Stillstand des Treibwassers, z. B. durch einen kleinen Setzstoß des Förderwassers in der Förderleitung am Ende des freien Falles wieder öffnet und durch Schwerkraft oder eine Feder offengehalten wird, bis der oben beschriebene hydrodynamische Druckabfall das erneute Schließen erzwingt.

Bei bekannten Saugwiddern (z. B. Deutsches Patent N 804 288,1949, oder bei dem heute noch gebauten Saugwidder der Fa. Fegawert S.A. Le Locie/Schweiz) wird beim Schließen des Widderventils die kinetische Energie des fließenden Wassers in der Treibwasserleitung vernichtet, weil das Treibwasser abgestoppt wird. Um diesen Verlust möglichst klein zu halten, hat der Saugwidder des Fegawerks als Treibwasserleitung einen Schlauch mit extrem großem Querschnitt, wodurch die kinetische Energie im Treibwasser gering gehalten wird.

Die bekannten Saugwidder erfordern für eine einwandfreie Funktion einen bestimm­ ten Treibwassermengen-Mindeststrom, da dann, wenn der benötigte Treibwasser­ mengen-Mindeststrom unterschritten wird, das Widderventil nicht mehr schließt und der Wirkungsgrad des Saugwidders auf Null abfällt.

Das Widderventil ist durch das schlagartige Abstoppen der Treibwassersäule einer besonders hohen Belastung ausgesetzt, die noch erheblich höher ist als bei denje­ nigen herkömmlichen hydraulischen Saugwiddern, bei denen durch das Abstoppen der Treibwassersäule nur der Druck am Ventil aufgestaut wird, der erreicht werden muß, um in einen Windkessel zu fördern. Diese hohe Belastung des Widderventils wirkt sich ungünstig auf die Standzeit des bekannten Saugwidders aus.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Saugwidder der eingangs genann­ ten Art hinsichtlich seines Wirkungsgrads und seiner Standzeit zu verbessern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angege­ ben.

Mit anderen Worten ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß das Widderventil nicht wie beim Stand der Technik als Rückschlagventil gebildet ist, das durch Federkraft offengehalten und durch die Treibwasserströmung geschlossen wird, sondern als durch Federkraft geschlossen gehaltenes und durch den Treibwasserdruck geöffne­ tes Ventil. Ferner ist erfindungsgemäß vorgesehen, das Widderventil 3 in Zusam­ menwirkung mit einem ebenfalls vom Treibwasser beaufschlagten Druckspeicher­ element in Art eines Schwingkreises zyklisch zu betätigen.

Da der Treibwasserdruck erfindungsgemäß vor der Öffnung des Widderventils durch das druckverstellbare Organ eines Druckspeicherelements aufgenommen wird, ist gewährleistet, daß das Treibwasser beim Betrieb des Saugwidders nicht schlagartig abgestoppt, sondern diesem kontinuierlich zugeführt werden kann, wodurch das Widderventil im Vergleich zum Stand der Technik deutlich entlastet wird, was der Standzeit des Saugwidders insgesamt zugute kommt.

Gewährleistet wird durch den erfindungsgemäß vorgesehenen Aufbau des Widder­ ventils als Schließventil und dessen Ansteuerung durch das Treibwasser im Ver­ bund mit einem Druckspeicherelement ferner, daß das Widderventil auch bei klein­ stem Treibwassermengenstrom noch öffnet, da der Öffnungsdruck für das Widder­ ventil durch das Druckspeicherelement auch bei minimalem Treibwasserstrom auf­ gebaut wird. Erreicht wird damit eine deutliche Steigerung des Wirkungsgrads des Saugwidders im Vergleich zum Stand der Technik.

Aufgrund des mit dem Widderventil zusammenarbeitenden Druckspeicherelements kann außerdem ein Rohr bzw. ein Schlauch mit geringem Innendurchmesser als Treibwasserleitung verwendet werden. Ferner kann das Treibwasser deshalb mit be­ liebig kleinem bzw. großem Mengenstrom zugeführt werden, so daß der Saugwidder an eine oder mehrere Fremdenergiequellen wechselnder Leistung angeschlossen werden kann.

Vorzugsweise ist das Ventilorgan des Widderventils als Kolben gebildet, dessen Stirnfläche dem Treibwasserdruck ausgesetzt ist, und die entgegen diesem Druck von einer Rückstellfeder gegen den Widderventilsitz gedrückt wird, so daß bei ge­ schlossenem Widderventil die dem Treibwasserdruck ausgesetzte Kolbenfläche um die Fläche des Ventilsitzes reduziert ist. Alternativ kann das Ventilorgan auch als Membran oder einseitig geschlossener Faltenbalg gebildet sein.

Der erfindungsgemäße Saugwidder arbeitet in der Kolben-Ausführungsform des Widderventilorgans wie folgt (stellvertretend für alle möglichen Ausführungsformen des Ventilorgans wird auf die Kolben-Ausführungsform des Ventils Bezug genom­ men):

Wenn ein Treibwasserstrom vorhanden und das Widderventil geschlossen ist, spannt der Treibwasserstrom bei der erfindungsgemäßen Pumpe das druckverstell­ bare Organ des Druckspeichers und der Treibwasserdruck steigt, bis der auf die vom Ventilsitz nicht bedeckte Kolbenfläche wirkende Druck die Kraft der Rückstell­ feder überwindet. Daraufhin öffnet das Widderventil schlagartig, da bei Beginn des Öffnens der Treibwasserdruck auf die gesamte Kolbenfläche und auf die sich an das Widderventil anschließende Förderwasserleitung einwirkt.

Durch das geöffnete Widderventil entspannt sich das Druckspeicherorgan, indem die Wassermasse in der Förderleitung beschleunigt wird. Dadurch fällt der Treib­ wasserdruck, bis die Kraft der Rückstellfeder den auf die ganze Kolbenfläche des Widderventilorgans wirkenden Druck überwindet und das Widderventil schließt.

Die vom Druckspeicherelement dem Förderwasser mitgeteilte kinetische Energie wird nun verbraucht, indem das Förderwasser aus dem Bodenventil Wasser ansaugt und dabei vom Förderdruck abgebremst wird.

Wenn der im Druckspeicherelement zum Öffnen des Widderventils nötige Treibwas­ serdruck wieder aufgebaut ist, beginnt der vorstehend erläuterte Vorgang von neuem.

Die soeben erläuterte Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Saugwidders trifft grundsätzlich auch für die alternativen Ausführungen des Ventilorgans als Falten­ balg oder Membran zu.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen beispielhaft näher erläu­ tert; es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform des erfindungs­ gemäßen Saugwidders, und

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Saugwidders.

Gleiche oder funktionsgleiche Bauteile sind in den Figuren mit denselben Bezugszif­ fern bezeichnet.

Der in Fig. 1 und 2 gezeigte hydraulische Saugwidder umfaßt in herkömmlicher Weise allgemein eine Treibwasserleitung 1, eine Förderwasserleitung 2, ein Wid­ derventil 3 und ein Bodenventil 4 zum Ansaugen von Förderwasser. Am Ende der Förderwasserleitung 2 befindet sich der Widderaustritt 9.

Der Aufbau des Bodenventils 4 ist nicht erfindungswesentlich und wird deshalb nicht näher erläutert.

Das Widderventil 3 besteht aus einem sein Ventilorgan bildenden Kolben 3a und einer den Kolben 3a gegen einen Ventilsitz 6 vorspannenden Rückstell- bzw. Schließfeder 3b. Erfindungsgemäß wird demnach das Widderventil durch eine Feder zugehalten.

Erfindungsgemäß ist ferner vorgesehen, daß die Treibwasserleitung 1 nicht nur wie beim Stand der Technik mit der Druckseite des Widderventils 3, sondern zusätzlich mit einem Druckspeicherelement 5 in Verbindung steht.

Das Druckspeicherelement 5 ist bei den in den Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungs­ formen des erfindungsgemäßen Saugwidders als Federspeicher gebildet.

Gemäß der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform weist der Federspeicher 5 ein eige­ nes Gehäuse 5c, das mit der Treibwasserleitung 1 stromauf vom Widderventil 3 kommuniziert. Im Gehäuse 5c befindet sich ein durch eine Feder 5b vorgespannter Kolben 5a, der das druckverstellbare Organ des Druckspeicherelements bildet.

Der Kolben 3a, die Rückstellfeder 3b und der Ventilsitz 6 des Widderventils 3 sind bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform des Saugwidders ebenfalls in einem eigenen, vom Gehäuse 5c getrennten Gehäuse 3c untergebracht, so daß das Wid­ derventil 3 und der Federspeicher 5 ausschließlich über das Treibwasser in Wirk­ verbindung miteinander stehen.

In Fig. 2 sind die Elemente des Federspeichers 5 und das Widderventils 3 in einem gemeinsamen Gehäuse 10 untergebracht und mechanisch miteinander gekoppelt: der Kolben 5a des Federspeichers 5 ist am oberen Ende des gekoppelten Kolben-Federsystems angeordnet, und die Druckspeicherfeder 5b verbindet den Kolben 5a mit dem darunter liegenden Kolben 3a des Widderventils 3, dessen Rückstellfeder 3b in Abwärtsrichtung verläuft und an einem ortsfesten Widerlager 11 im Gehäuse 10 festgesetzt ist. Das untere Ende des Gehäuses 10 taucht in das Förderwasser ein und ist durch das Bodenventil 4 verschlossen.

Die Treibwasserleitung mündet in das Gehäuse 10 auf der Höhe der Speicherfeder 5b, während die Förderwasserleitung auf der Höhe des unteren Endes der Schließ­ feder 3b vom Gehäuse abzweigt.

Die Schließfeder 3b ist bei der Ausführungsform des Saugwidders von Fig. 2 eine Zugfeder und die Druckspeicherfeder 5b ist eine Druckfeder.

Der in den Fig. 1 gezeigte erfindungsgemäße Saugwidder arbeitet wie folgt:

Das Treibwasser strömt durch die Treibwasserleitung 1 und spannt die Druckspei­ cherfeder 5b über den am Kolben 5a angreifenden Treibwasserdruck (Druckspeicherphase), bis der Druck auf die Fläche des Widderventilkolbens 3a ab­ züglich der Fläche des Ventilsitzes 6 die Kraft der Rückstell- bzw. Widderventil-Schließfeder 3b überwindet. Daraufhin öffnet das Widderventil 3 schlagartig, da mit dem Beginn des Öffnens der Treibwasserdruck auf die Fläche des gesamten Wid­ derventilkolbens 3a wirkt. Die Druckspeicherfeder 5b entspannt sich nunmehr (Entspannungsphase), indem sie die Wassermasse in der Förderleitung 2 über eine Hubbewegung des Kolbens 5a beschleunigt, wodurch der Druck in dieser Leitung fällt, bis die Kraft der Schließfeder 3b den Druck auf die gesamte Fläche des Wid­ derventilkolbens 3a überwindet und das Widderventil schließt. In der sich nunmehr anschließenden erneuten Druckspeicherphase saugt das weiterströmende Wasser in der Förderleitung 2 Wasser aus dem Bodenventil 4, bis die Wasserströmung auf­ grund des Gegendrucks durch die Förderhöhe zum Erliegen kommt. Daraufhin lau­ fen zyklisch weitere Entspannungs- und Druckspeicherphasen ab.

Der in den Fig. 2 gezeigte erfindungsgemäße Saugwidder durchläuft wie der in Fig. 1 gezeigte Saugwidder zyklisch Druckspeicher- und Entspannungsphasen. Im Gegensatz zu dem Fig. 1 gezeigten Saugwidder übernimmt bei dem Saugwidder von Fig. 2 der Druckspeicher-Kolben 5a aufgrund seiner Federkopplung an den Widderventilkolben 3a partiell dessen Umsteuerfunktion. Das heißt, das Treibwasser spannt die Druckspeicherfeder 5b über den am Kolben 5a angreifenden Treibwas­ serdruck (Druckspeicherphase), bis der Druck auf seine Fläche abzüglich der Fläche des Ventilsitzes 6 die Kraft der Rückstell- bzw. Widderventil-Schließfeder 3b überwindet. Daraufhin öffnet das Widderventil 3 schlagartig, da mit dem Beginn des Öffnens der Treibwasserdruck auf die Fläche des gesamten Druckspeicher-Kolbens 5a wirkt. Die Druckspeicherfeder 5b entspannt sich nunmehr (Entspannungsphase), indem sie die Wassermasse in der Förderleitung 2 über eine Hubbewegung des Kolbens 5a beschleunigt, wodurch der Druck in dieser Leitung fällt, bis die Kraft der Schließfeder 3b den Druck auf die gesamte Fläche des Druckspeicher-Kolbens 3a überwindet und das Widderventil schließt. In der sich nunmehr anschließenden erneuten Druckspeicherphase saugt das weiterströmende Wasser in der Förderlei­ tung 2 Wasser aus dem Bodenventil 4, bis die Wasserströmung aufgrund des Gegendrucks durch die Förderhöhe zum Erliegen kommt. Daraufhin laufen zyklisch weitere Entspannungs- und Druckspeicherphasen ab.

In Fig. 2 ist zusätzlich in einem Freiraum des Gehäuses 10 über dem Kolben 3b ein luftgefüllter Schlauch 8 angeordnet, der die pulsierenden Bewegungen des Widder­ ventilkolbens 3b und des Wassers in der Förderleitung 2 abpuffert, wodurch am Widderaustritt 9 ein relativ ruhiger Massenstrom gewährleistet wird. Grundsätzlich können auch andere bekannte Mittel zur Pufferung verwendet werden.

Claims (12)

1. Hydraulische Saugwidder-Trägheitswasserpumpe, umfassend:
eine mit Treibwasser gespeiste Treibwasserleitung (1),
eine Förderleitung (2), die über ein Bodenventil (4) mit Förderwasser in Ver­ bindung bringbar ist,
ein Widderventil (3), das an die Treibwasserleitung (1) und die Förderleitung (2) angeschlossen ist und durch das Treibwasser gesteuert einen Förderwas­ ser über das Bodenventil (4) ansaugenden Wasserfluß in der Förderleitung (2) bewirkt,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Widderventil (3) durch Federkraft in seiner die Treibwasserleitung (1) von der Förderleitung (2) trennenden Schließstellung gehalten wird, und
ein Druckspeicherelement (5) vorgesehen ist, das mit der Treibwasserleitung (1) und dem Widderventil (3) in Verbindung steht und so ausgelegt ist, daß

• a) in einer Druckspeicherphase der Treibwasserdruck im Druckspeicher­ element (5) gespeichert wird, bis er eine das Widderventil (3) öffnende Höhe erreicht, und
• b) in einer auf die Druckspeicherphase folgenden Entspannungsphase das Druckspeicherelement (5) den gespeicherten Druck an das Treibwas­ ser, dieses beschleunigend abgibt, bis der Treibwasserdruck soweit ab­ fällt, daß das Widderventil (3) schließt und eine neue Druckspeicherphase eingeleitet wird.

2. Hydraulische Saugwidder-Trägheitswasserpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckspeicherelement (5) ausschließlich über das Treibwasser mit dem Widderventil (3) zusammenwirkt.

3. Hydraulische Saugwidder-Trägheitswasserpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckspeicherelement (5) mechanisch an das Widderventil (3) gekoppelt ist.

4. Hydraulische Saugwidder-Trägheitswasserpumpe nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckspeicherelement (5) stromaufwärts vom Widderventil (3) angeordnet ist.

5. Hydraulische Saugwidder-Trägheitswasserpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckspeicherelement (5) ein Feder­ speicher mit federvorgespanntem druckverstellbaren Organ (5a) ist.

6. Hydraulische Saugwidder-Trägheitswasserpumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das druckverstellbare Organ (5a) ein durch eine Feder (5b) beaufschlagter Kolben ist.

7. Hydraulische Saugwidder-Trägheitswasserpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilorgan des Widderventils (3) ein Kolben (3a) ist, der durch eine Rückstellfeder (3b) gegen einen Ventilsitz (6) gehalten ist.

8. Hydraulische Saugwidder-Trägheitswasserpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckspeicherelement (5) in einem vom Gehäuse (3c) des Widderventils (3) getrennten Gehäuse (5) gebildet ist.

9. Hydraulische Saugwidder-Trägheitswasserpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente des Widderventils (3) und des Federspeichers (5) in einem gemeinsamen Gehäuse (10) in folgender Ab­ folge angeordnet sind:
das druckverstellbare Organ (5a) des Druckspeicherelements (5), dessen Druckspeicherfeder (5b), das Widderventilorgan (3a), dessen Rückstell­ feder (3b), und
die Treibwasserleitung (1) auf der Höhe der Speicherfeder (5) in das Gehäuse (11) mündet und die Förderwasserleitung (2) im Bereich der Ventilrückstellfeder (3b) vom Gehäuse (11) abgeht.

10. Hydraulische Saugwidder-Trägheitswasserpumpe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Bodenventil (4) ebenfalls im gemeinsamen Gehäuse (11) angeordnet ist.

11. Hydraulische Saugwidder-Trägheitswasserpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Dämpfungselement (8) zur Pufferung der pulsierenden Bewegungen des druckverstellbaren Organs (5a) des Druck­ speicherelements (5) und/oder des Ventilorgans (3a) des Widderventils vorge­ sehen ist.

12. Hydraulische Saugwidder-Trägheitswasserpumpe nach einem der Ansprüche 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungselement (8) ein Luftsack ist.