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Querschnittskontur für den Statorhohlraum einer Radialkoklbenpumpe
Die Erfindung betrifft die Querschnittskontur für den Statorhohlraum einer Radialkolbenpumpe
mit einem zylindrischen, radial bewegliche Arbeitskolben enthaltenden Rotor, wobei
die Arbeitskolben während des Betriebes mit ihren balligen Enden an der Kontur des
Statorhohlraumes entlanggleiten und dabei Hubbewegungen ausführen.
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Bei Pumpen dieser Ar-t ist es unter anderem wichtig, allzu große Beschleunigungen
und Rucke beim Ein- und Ausfahren der Arbeitskolben zu vermeiden und die Fördermenge
der Pumpe möglichst konstant zu halten.
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Die deutsche Patenschrift 1 182 961 schlagt einen Statorhohlraum für
Radialkolbenpumpen vor, dessen Kontur aus je zwei paarweise einander gegenüberliegenden
zum Rotor zentrischen Ereisbogenstücken mit einem größeren Radius für das eine Bogenpaar
und einem kleineren Radius für das andere Bogenpaar besteht, die durch eine Ilubkurve
miteinarider verbunden sind, welche sich aus der Überlagerung einer Geraden mit
einer Sinuslnurve ergibt.
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Die Kreisbogen und die Sinoiden schließen so aneinander an, daß an
den Übergangsstellen keine Sprünge in der Beschleunigungskurve auftreten.
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Dies bedeutet zwar eine wesentliche Verbesserung gegenüber anderen
Hubkurvenformen, jedoch findet nur in einem verhältnismäßig kleinen Bereich des
gesamten Statorhohlraumes ein Hub statt; außerdem ist man, um die förderung frei
von Pulsationen zu halten, zu einer bestimmten Mindestzahl von Arbeitskolben gezwungen,
damit im Bereich der Sinoidell immer ein Hub stattfindet, während die anderen Kolben
sich im Bereich des Kreisbogens bewegen und dabei keinen Hub ausführen. Ver Kolben,
de sich gerade im Bereich des Kreisbogens befindet, muß außerdem Druck- und Saugraum,
die sich zwischen Rotor und Stator befinden, gegeneinander dicht abschließen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine für verschiedene Radialkolbenpumpen
anzupassende Hubkurve zu schaffen, die eine konstante Fördermenge gewährleistet,
ohne eine zu hohe Zahl an Arbeitskolben erforderlich zu machen. gie sich ergebende
Radialkolbenpumpe soll fertigungstechnisch einfach und kompakt sein. Es ist insbesondere
an eine Pumpe geringer Fördermenge aber hohen Wirkungsgrades gedacht.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Kontur des
Statorhohlraumes zum größten Teil aus einer oder mehreren Hubkurven besteht, die
sich ihrerseits aus drei winkelgleichen Abschnitten zusammensetzen, wobei der mittlere
Abschnitt Teil einer Spirale mit linearem Anstieg ist und sich die Anstiege der
beiden äußeren Abschnitte in Drehrichtung linear ergänzen.
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Eine aus drei winkelgleichen Abschnitten bestehende Hubkurve entspricht
jeweils dem 1,5-fachen bzw. 1,5 x n-fachen oder 1,5 x n -fachen der Kolbenteilung.
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Saug- und Druckkurve sind abwechselnd gleichmäßig auf der Querschnittskontur
verteilt.
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Die sich in inrem Anstieg linear ergänzenden Winkelabschnitte einer
Hubkurve sind vorzugsweise Teile einer Spirale mit sinoidalem Anstieg.
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Die Querschnittskontur des Statorchohlraumes wird, wenn Saug und Druckwinkel
sich nicht zu 3600 ergänzen, durch einen kreisförmigen Abschnitt geschlossen, dessen
Mittelpunkt mit dem des Rotors zusammenfällt.
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Der Saugbereich ist über die Saugkurve hinaus in den kreisförmigen
Abschnitt ausgedehnt.
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Im Sonderfall einer Zweikolbenpumpe ist nur die Druckkurve erfindungsgemäß
ausgebildet und der Saugbereich wird durch eine vorzugsweise als reine Sinoide ausgebildete
Kurve gebildet.
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Die Erfindung läßt die verschiedensten Ausführungsformen zu.
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Einige sind anhand der anhängenden Zeichnungen näher beschrieben.
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Fig. 1 zeigt im Querschnitt die Hubscheibe und den Rotor einer erfinungsgemäßen
Radialkolbenpumpe mit der Mindestzahl von zwei Arbeitskolben Fig. 1a zeit die Förderkeimlinle
de Radialkolbenpumpe nach Figur 1 Fig. 2, 3 und 4 zeigen ebenfalls im Querschnitt
Hubscheibe und Rotor einer Radialkolbenpumpe mit unterschiedlicher Zahl an Arbeitskolbeii
Fi.
2a, 3a, 4a zeigen die jeweilige Förderkennlinie der Ladialkolbenpumpen nach den
Figuren 2, 3 und 4.
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Grundgedanke der Erfindung ist es, den Druckbereich bzw. Saugbereich
aus drei winkelgleichen Abschnitten zu bilden, wobei der yittlere Winkelabschnitt-
Teil eier Spirale linearer Steigung ist. Gleitet der Arbeitskolben mit seinem balligen
Ende in diesem Abschnitt an der Itubscheibe entlang, ist seine Hubgeschwindigkeit
und damit auch die Volumenänderung seines Führungszylinders konstant. Da sich die
Arbeitsräume bei der erfindungsgemäßen Pumpe nicht zwischen Hubscheibe und Rotor
befinden, sondern von den im Rotor angeordneten Zylindern der Arbeitskolben gebildet
werden, ist im mittleren Winkelabschnitt des Druckbereichs bzw. Saubereiches auch
die Fördermenge der Pumpe konstant. Die Zylinderräume des Rotors werden durch synchron
arbeitende Schließ- und Öffnungsorgane abwechselnd mit dem Druck- und Sauganschluß
der Pumpe verbundene Das sich zwischen Rotor und Hubscheibe befindende Druckmittel
dient zur Schmierung. Der erste und dritte Winkelabschnitt des Druck-bzw. Saugbereiches
sind Teile einer Spirale mit vorzugsweise sinoidalem Anstieg, die sich in Umlaufrichtung
in jedem Punkt einander dem erstgenannten Abschnitt mit linearem Anstieg en-bsprechend
erhänzen. Zwei Kolben, die sich in den Bereichen der Sinoidenäste bewegen, führen
also einen Gesamthub aus der gleich dem Hub eines einzelnen Kolbens im mittleren
Bereich des Hubwinkels ist, so daß die Fördermenge konstant bleibt. Ein Hubwinkel
beträgt vorzugsweise das 1,5-fache bzwO 1 , 5 x n-fache oder 1,5 1/n-fache der Kolbenteilung.
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Figur 1 zeigt die einfachste und zugleich billigste Ausführungsform
der Erfindung. Der Rotor 1 enthält nur zwei sich gegenüberliegende, radial bewegliche
Kolben 2,3 deren Zylinder 4 in einen einzigen Arbeitsvorgang gearbeitet werden können.
Bei
dieser Ausführung der Erfindung läßt sich ein zeitlich konstanter
Förderstrom noch danii erzielen, wenn die Hubkurve lediglich im Bereich des Druckhubes
die erfindungsgemäße Form hat. Und zwar besteht sie aus drei winkelgleichen Abschnitten
zu je 900, wobei die Abschnitte 1 und III je einen halben sich gegenseitig ergänzenden
Sinoidenast darstellen, während der Abschnitt II den Bereich mit konstantem Anstieg
über dem Winkel bildet. Der Statorhohlraum wird geschlossen durch einen 1. B. rein
sinoidalförmigen Abschnitt IV, der den Saugbereich der Pumpe bildet.
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Im Diagramm 1a ist die Börderkennlinie der Pumpe über dem Drehwinkel
aufgetragen. Bewegt sich der Kolben 2 im Saugbereich IV, so führt der Kolben 3 im
Abschnitt II der Hubkurve ein Druclchub konstanter Geschwindigkeit und konstanter
Fördermenge aus.
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Nach einer Drehung um 900 gelangen der Kolben 2 in den Abschnitt I,
der Kolben 3 in den Abschnitt III der Hubkurve, die von ihnen geförderte enge Druckmittel
ergänzt sich erfindungsgemaß in jedem Augenblick zur Fördermenge Q im Abschnitt
II. Nach einer Drehung um 1800 gelangt der Kolben 3 in den Saugbereich IV, während
der Kolben 2 im Abschnitt II fördert. Im letzten Viertel der Drehung wiederum ergänzen
sich die Fördermengen der beiden Arbeitskolben und so fort.
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Das Diagramm 1a veranschaulicht, wie die Fördermenge der Pumpe in
jedem Augenblick der Rotordrehung gleich dem konstanten Wert Q ist.
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Die Hubkurve dioser Ausführungsform hat den größtmöglichen Krümmungsradius,
damit wird die Wirkleistung der Pumpe sehr gut. Als nachteilig ist anzusehen, daß
der Saigbereich der Pumpe gegenüber dem Druckbereich kurz ist, was die höchstmögliche
Fördermenge begrenzt.
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Um die Ansaumöglichkeit und Gleichlauf der Pumpe zu verbessern, kann
die Anzahl der Kolben und damit die Anzhl der Hübe pro Umdrehung beliebig erhöht
werden.
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Figur 2 zeigt einen Rotor 26 mit fünf sich radial bewegende.
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Kolben 21, 22, 23, 24, 25, deren Arbeitsräume von den dem Rotormittelpunkt
zugewandten Abschnitten der Zylinderbohrungen gebildet werden. Wird die Teilung
der Hubkurve erfindungsgemäß vorgenommen, so können zwei ganze Ifubwinkel bestehend
aus je drei winkelgleichen Teilen von 36° aufeinanderfolgend angeordnet werden.
Der mittlere Winkelabschnitt II der beiden Hubwinkel ist wiederum Teil einer Spirale
mit linearem Anstieg, wänrend die Abschnitte I und III Teile einer Spirale mit vorzugsweise
sinoidalem Anstieg sind, die sich gegenseitig entsprechend dem Abschnitt II ergänzen.
Die beiden Hubwinkel schließen auf einer Seite direkt aneinander an und sind auf
der anderen Seite durch einen kreisförmigen Abschnitt IV von 100° verbunden, dessen
Mittelpunkt mit dem des Rotors zusammnefällt. Die eine den Raum zwischen Rotor und
Hubscheibe in Drehrichung verengende Hubkurve bildet den Druckbereich, die anschließende
den Raum zwischen Rotor und Hubsheibe erweiternde Rubkurve bildet den Saugbereich
der Kurve. Der Saugbereich der Kurve kann erfinungsgemäß bis in den kreisförmigen
Teil der Hubscheibe, in dem kein Kolbenhub stattfindet, ausgedehnt werden; ru ist
sichergestellt, daß genügend Fördermittel nachfließt.
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In der dargestellten stellung des Rotors befinden sich die Kolben
2-i und 25 im kreisförmigen Bereich der Hubscheibe, sie Rühren also keinen Hub aus.
Der Kolben 22 bewegt sich im Winkelabschnitt II der Druckkurve und fördert infolge
des linearen Anstiegs der Hubkurve eine konstante Menge Q. Die beiden Kolben 23
und 24 bewegen sich in den Winkelabschnitten I und II mit sinoidalem Anstieg des
Saugbereiches. Nach einer Drehung von 36° fördern die Kolben 21 und 22 in den Winkelabschnitten
I
und III des Druckbereiches, die Fördermengen der beiden Kolben
ergänzen sich in jedem Augenblick zur konstanten Menge Q. Der Kolben 23 bewegt sich
im linearen Bereich des Saugabschnittes, während die kolben 24 und 25 sich ohne
Hub im kreisförmigen Abschnitt IV bewegen. Es ist zu ersehen, daß die Fördermenge
über den gesamten Drehbereich konstant bleibt und das Saugvolumen gleich dem Druckvolumen
ist.
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Die Figur 2a zeigt die Förderkennlinie der Pumpe nach Fig. 2 über
dem Drehwinkel.
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Durch die einseitige Lage des Druckbereiches der beiden beschriebenen
Pumpenarten sind die Lager einer hohen Belastung ausgesetzt und unterliegen einem
verhältnismäßig hohen Verschleiß. Dieser Nachteil ist bei der Pumpe nach Fig. 3
ausgeschaltet. Im Rotor 37 sind 6 Arbeitskolben 31, 32, 33, 34, 35, 6 angeordnet,
die sich radial gegenüberliegenden Zylinder können bei dieser Ausführung in jeweils
einem Arbeitsgang aus geführt werden. Nach der erfindungsgemäßen Aufteilung der
Hubscheibe ergeben sich vier aneinander anschließende Hubkurven, die aus je drei
winkelgleichen Abschnitten I, II, III von 300 bestehen. Wie bereits beschrieben,
haben die Winkelabschnitte I und III einen sich einander ergänzenden sinoidalen
Anstieg über dem Drehwinkel, während der Winkelabschnitt II jeder Hub kurve eillen
linearen Anstieg hat. Zwei sich gegenüberliegende Hubkurven bilden zusammen den
Saugbereich bzw. den Druckbereich. Aus der dargestellten Stellung des Rotors 37
bewegen sich die Kolben 31 und 32 in den sich linear ergänzenden Winkelabschnitten
I und III der einen Druckkurve, ebenso bewegen die gegenüberliegenden Kolben 34
und 35 sich in den Winkelabschnitten I und III der zweiten Druckkurve. Die Fördermengen
der Kolbei 31, 32, 34, 35 ergänzen sich linear zur doppelten Sordermenge Q. Die
Kolben 33 und 36 bewegen sich im linearen Winkelabschnitt II der sich gegenüberliegenden
Saugkurven. Nach einer
Drehung um 300 bewegen sich die Kolben 31
und 34 im linearen Abschnitt II der Druckkurven, während die Kolben 32, 33, 35 und
36 sich in den Winkelabschnitten 1 und III der Saugkurven bewegen. In jedem Augenblick
ist die Fördermenge der Pumpe gleich dem doppelten Wert Q der Förderkennlinie. Druck-und
Saugvolumen sind sich auch in dieser Pumpenausführung gleich.
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Durch die sich gegenüberliegenden Drcukkurven findet eiii Druckausgleich
statt, so daß die Lager der Pumpe entlastet werden.
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Zwischeil den einzelnen Hubkurven bestehen keine Toträume, in denen
von den Kolben kein Drukmittel gefördert wird.
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Figur 3a zeigt die Förderkennlinie der Pumpe nach Figur 3.
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Figur 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung mit 8 Arbeitskolben.
Die erfindungsgemäße Aufteilung der Hubscheibe erlaubt zwei Hubkurven und zwei Saugkurven
aus drei winkelgleichen Teile I, II, III von je 22°, 30'. Die Saugkurve geht direkt
in die Druckkurve über, während zwischen Druckkurve und Saugkurve jeweils ein kreisförmiger
Abschnitt IV angeordnet ist. Dies erlaubt den Saugbereich in den Abschnitt IV auszudehnen,
so daß das Druckmittel schneller nachfließen kann und immer die größtmögliche Menge
gefördert wird. Die Fördermenge der einander gegenüberliegenden Druckkurven erhänzen
sich zur konstanten Menge Q. Auch hier ist ein Druckausgleich an den Lage gegeben.
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Die Abschnitte I und III der Hubkurve müssen nicht unbedingt einen
sinoidalen Anstieg über dem Drehwinkel haben. Entscheidend ist, daß sich ihr Anstieg
in Drehrichtung jeweils linear ergänzt. Jedoch bringt der beschriebene sinoidale
Verlauf den zusätzlichen Vorteil, daß Beschleunigungsstöße auf die Kolben, die zu
Schwingungen anregen, vermieden werden.