DE2116091A1

DE2116091A1 - Vorrichtung zum Fördern von Flüssigkeiten

Info

Publication number: DE2116091A1
Application number: DE19712116091
Authority: DE
Inventors: Walter Dr.-Ing. 7000 Stuttgart Passera
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1971-04-02
Filing date: 1971-04-02
Publication date: 1972-10-19

Description

Anlage zur

Patent- und

Gebrauhsmusterhilfsanmeldung

ROBERT BOSCH GMBH, Stuttgart Vorrichtung zum B'ördern von Flüssigkeiten

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Fördern von Flüssigkeiten, bestehend aus mindestens zwei relativ zueinander rotierenden Teilen, wobei in der Oberfläche wenigstens eines Teils, die einer Oberfläche des anderen Teils zugewandt ist, wenigstens eine Ausnehmung (Nut oder Gewinde) zum Fördern der Flüssigkeit ausgebildet ist.

Derartige Vorrichtungen bestehen z. B. aus einer Gewindespindel, die mit geringem Spiel in einer Bohrung angeordnet ist. Beim
Rotieren der Gewindespindel wird die an einer Seite derselben
zugeführte Flüssigkeit von dem Gewindegang der anderen Seite der Gewindespindel zugeführt. Derartige Fördergewinde v/erden z. B.
als Schmierölpurnpen oder auch Gewindewellendichtungen angewandt. Die Bohrung kann dabei ebenSLls ein Gewinde besitzen. (Konstruktion Jahrgang 15, 1965, Heft 1.)

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Die Vorrichtungen können aber auch als sog. Spirallager zur Aufnahme von Axialkräften ausgebildet sein, bei denen z. B. das nichtrotierende Teil eine ebene, kugelige oder konische Fläche aufweist, in die spiralartige Nuten eingearbeitet sind. Diese Fläche stützt sich auf einer glatten, entsprechend gestalteten rotierenden Gegenfläche ab. Die Spiralnuten können auch auf der rotierenden Fläche angeordnet sein, oder aber auf beiden Flächen. Der Vorrichtung wird flüssiges Druckmittel zugeführt> so daß bei Rotation eines der Teile durch Pumpwirkung der Spiralnuten zwischen den beiden Teilen ein Flüssigkeitsfilm und damit ein Druck aufgebaut wird, der die Lagerkraft (Axialkraft) erzeugt. (DT AS 1 255 680). .'. .

Allen diesen Vorrichtungen haftet jedoch der Nachteil an, daß bei einer ganz bestimmten, reproduzierbaren Drehzahl Kavitation auftritt. Diese führt-zum Zusammenbruch der Förderwirkung des Gewindes oder der Spiralnut, also bei Pumpen zu einem plötzlichen Nachlassen der Purapwirkung, bei den genannten Lagern zu einer starken Abnahme der Tragkraft.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, Vorrichtungen der eingangs erwähnten Art zu schaffen, bei denen das Auftreten von Kavitation vermieden wird.

" Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch^löst, daß im Bereich des Eintritts der Flüssigkeit in die Ausnehmung kavitationsverhindernde Mittel vorgesehen sind.

Besonders zweckmäßige Ausbildungen des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung wiedergegeben. Diese zeigt in den

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Fig. 1, 2, 4, 5, 7, 9a, 11 Gewindewellen zum Fördern von

Flüssigkeiten, schematisch dargestellt,

Fig· J5, 6a, 6b, 8, 10a, 10b Spiralnutenlager, ebenfalls schematisch

dargestellt.

In Fig. 1 ist mit 1 eine Welle bezeichnet, an deren Außenumfang ein Gewinde 2 mit rechteckigem Gangquerschnitt, ein sog. Flachgewinde, ausgebildet ist, dessen Durchmesser größer ist als derjenige der Welle 1. Es erstreckt sich nur über einen Teil der Welle; seine beiden Enden sind mit 5 und 4 bezeichnet. Ein Teil der Welle samt Gewinde befindet sich in einer Gehäusebohrung 5* die das Gexiinde mit engem Spiel umgibt. Dadurch, daß der Druchmesser das Gewindes 2 größer ist als derjenige der Welle, entsteht zwischen dem Ende 3 des Gewindes und dem Ende der Gehäusebohrung 5 ein Raum 6, in den eine Bohrung 7 mündet, die Anschluß zu einem ein flüssiges Druckmittel enthaltenden Behälter hat.

Dreht sich die Welle 1 in Pfeilrichtung, so wird Druckmittel vom Raum 6 entlang der Gewindegänge zum Raum 8 am Ende 4 des Gewindes - in der Regel entgegen einem herrschenden Überdruck - gefördert. Damit überhaupt eine in das Gewinde gerichtete Strömung entstehen kann, ist ein Druckgefälle in Strömungsrichtung notwendig. Dieses Druckgefälle bildet sich in dem am Gewindeeingang schraffiert dargestellten Bereich 9. (Bereich des Eintritts der Flüssigkeit.) Hier herrscht also ein niedrigerer Druck als im Raum 6. Der größte Unterdruck entsteht dabei an der sog. "saugenden Gewindeflanke", die mit 10 bezeichnet ist, während die "drückende Gewindeflanke" die Bezeichnung 11 trägt. Ein Druckaufbau (Überdruck) findet erst anschließend an den Bereich 9 statt.

Bei bekannten Fördergewinden tritt ab einer bestimmten Drehzahl Kavitation auf, die zum teilweisen oder völligen Zusammenbruch der Förderwirkung führt. Kavitation entsteht dann, wenn der Unterdruck im schraffierten Bereich so groß wird, daß sich Blasen in der Flüssigkeit bilden.

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Erfindungsgemäß wird das Entstehen der Kavitation dadurch vermieden, daß der gegen die Umfangsrichtung gemessene Gewindesteigungswinkel &- im Überdruckbereich beginnend und zum Unterdruckbereich hin kleiner gemacht wird als der Steigungswinkel Ocο des Gewindes. Der Steigungswinkel OC kann dabei kontinuierlich verkleinert v/erden, oder, wie im Ausführungsbeispiel der Fig. 2, nicht kontinuierlich. In diesem Fall muß der Punkt A genügend weit innerhalb des mit 2^f bezeichneten Gewindes und damit außerhalb des Unterdruckbereichs 9 liegen.

Durch diese Maßnahme wird der Saugeffekt der saugenden Gewindeflanke verringert. Dies beruht darauf, daß die Saugwirkung und damit der Unterdruck umso geringer werden, je kleiner der Steigungswinkel ist. Gleichzeitig wird der Querschnitt Q der Gewindegänge am Ende J> des Gewindes vergrößert.

Das Ausführungsbeispiel nach den Fig. 3a und 3b zeigt die Anwendung obigen Gedankens bei einem Spiralnutenlager, wie es hinlänglich bekannt ist* .Die Fig. 3a stellt einen Schnitt längs a ... a der Fig. 3b dar. Das nicht rotierende Teil 12a des Lagers hat eine ebene, kugelige oder konische Endfläche, in der Spiralnuten' 13 ausgebildet sind. Auf diesem Teil stützt sich eine entsprechend geformte glatte Fläche einer Gegenscheibe 12b ab. Beide Teile sind von einem flüssigen Druckmittel geschmiert, das am Außenumfang der Teile zugeführt wird. Rotiert die Gegenscheibe 12b in Pfellriehtung, so könnte aber einer bestimmten, meist hohen Drehzahl Kavitation In, den Saugbereiehen der Spiralnuten auftreten, wenn, nicht die erfindungsgemäße Maßnahme getroffen würde. Diese besteht darin, daß jeweils an der vorderen saugenden Nutflanke, bezogen auf die Drehrichtung, eine Änderung 14 der Steigung der Spirale von Punkt A an, kontinuierlich oder diskontinuierlich vorgesehen ißt, die am Außenumfang eine Verbreiterung b des Mutquerschnitts eur Folge hat, wobei /die Nutflanke vom Außenumfang geradlinig oder bogenförmige der Nutflanke nähert und in diese im Punkt A übergeht. Der Punkt A liegt . zweckmäßigerweise im Bereich des Überdrucks.

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Das Ausführungsbeispiel nach der Fig. 4 zeigt wiederum eine Vorrichtung, wie sie im Prinzip den Ausführungsbeispielen nach den Pig. 1 und 2 entspricht. Kavitation wird in diesem Fall dadurch vermieden, daß die Tiefe t der Gewindegänge des Gewindes 15 zum Saugbereich, also zum Raum 6 hin zunimmt, wobei der Beginn B der Vertiefung nochJLm Überdruckbereich liegt. Es ist'also t > to, wobei t am Gewindeende 3¹ liegt. Diese Maßnahme ist besonders wirkungsvoll, da hierdurch der Einströmwiderstand erheblich verringert wird. Dieser ist proportional der J>. Potenz der Spaltweite. Es genügt also eine relativ geringe Zunahme der Vertiefung der Gewindegänge an der beschriebenen Stelle, etwa eine Verdoppelung der Gangtiefe an Gewindeende J5¹ .

Insbesondere bei Gewinden mif; größerer Gangtiefe ist auch eine Maßnahme zweckmäßig, wie sie im Ausführungsbeispiel nach der Fig. ■dargestellt ist. Diese zeigt eine Frontansicht einer dreigängigen Gewindespindel l6. Die einzelnen Gänge tragen die Bezeichnungen 17, l8, 19. Am Gewindegang l8 ist die drückende- Gewindeflanke mit 20, die saugende Gewindeflanke mit 21 bezeichnet. Die gestrichelte Linie 22 zeigt den Gewindegrund bei einem üblichen Gewinde; er verläuft konzentrisch zum Gevixndeaußendurchmesser. Erflndungsgemä3 ist aber zur Vermeidung von Kavitation der· Gewindegrund 2j5 an der saugenden Flanke tiefer als an der drückenden Flanke.

Eine sinngemäße Ausbildung dieses und des in Fig. 4 dargestellten Gedankens bei einem Spiralnutenlager zeigt das Ausführungsbeispiel nach den Fig. 6a und 6b, wobei die Fig. 6b einen Schnitt entlang der Lini/e a ... a der Fig. 6a darstellt. Die Tiefe der Spiralnut 24 des feststehenden Teils 25 ist an dessen Außenumfang größer als am Innenumfang. Es ist also t "> to.

Wie das Ausführungsbeispiel der Fig. 7 zeigt, kann anstatt der Vertiefung der Gewindegänge, wie sie im Ausführungsbeispiel nach der Fig. 4 beschrieben war, auch die das Gewinde umgebende Bohrung

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entsprechend gestaltet werden. Das Gewinde trägt die Bezeichnung 26; es weist überall dieselbe Gangtiefe auf und besitzt regelmäßige Steigung. Die Gehäusebohrung 27 hat am saugseitigen Gewindeende eine konische Erweiterung 29, die bis zu einem Punkt A am Gewinde reicht, der zweekmäßigerweise im Bereich des Überdruckes liegt.

Eine sinngemäße Ausbildung dieses Gedankens bei einem Spiralnutenlager zeigt das Ausführungsbeispiel nach der Fig. 8. Das feststehende Lagerteil 30 hat. wiederum Spiralnuten 31 üblicher Form mit gleichbleibender Tiefe, während die rotierende" Gegenscheibe 32 gegen ihren Außenumfang hin an der Lauffläche eine kegelige ψ oder ballige Randzorie 33 hat. Diese beginnt zweckmäßigerweise wiederum im Punkt A, in dem Überdruck herrscht.

Eine weitere Maßnahme zum Vermeiden von Kavitation zeigt das Ausführungsbeispiel nach den Pig. 9& und 9b, wobei die Fig. 9b einen Schnitt längs a ... a der Fig. 9adarstellt. Gleiche Teile besitzen die gleichen Ziffern wie im weitgehend ähnlichen Ausführungsbeispiel nach der Fig. 1. Das Flachgewinde 35 hat regelmäßige .Steigung und Gangtiefe, weist aber im Saugbemch, d.h. am Gewindeende 35 an. der saugenden Ge winde flanke 36 einen Schlitz 37 auf, von dem 4uerbohrungen 38 zum Inneren der Welle 39 verlaufen und dort in eine Längsbohrung 40 münden. Diese steht mit einem Kanal 4l in Verbindung, der in den Raum 8 mündet, in dem ein durch die Förderwirkung des

Flachgewindes erzeugter Überdruck herrscht. Im Kanal kann ein Rückschlagventil 42 angeordnet sein, das in oder außerhalb der Wellenachse liegt, außerdem eine Drossel 43« Durch den Kanal 4l, die Längsbohrung 40 und die Querbohrungen 38 wird dem Schlitz 37 und damit dem Saugbereich Druckmittel von der Überdruckzone (Raum 8) zugeführt, wodurch Kavitation bei hohen Drehzahlen des Flachgewindes vermieden wird.. Das Rückschlagventil 42, das im dargestellten Fall durch die Fliehkraft gesteuert wird, verhindert größere Druckmittolverluste, da es erst abe einer bestimmten Drehzahl öffnet. Die Drossel 43 begrenzt überdies eine zu große Druckmittelströmung,, Auf den Schlitz 37 kann auch verzichtet werden. Die Querbohrungen münden dann unmittelbar am Grund des G©windeganges.

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Die entsprechende Ausbildung bei Spiralnutenlagern zeigt das Ausführungsbeispiel nach den Pig. 10a und 10b, wobei die Fig. 10b einen Schnitt längs a ... a der Fig. 10a darstellt.

An der saugenden Flanke 45 jeder Spiralnut 46 ist in deren Saugbereich ein Schlitz 47 ausgebildet, von dem Bohrungen 48 zu einem Kanal 49 führen, der über ein Rückschlagventil 50 mit dem Überdruckbereich 51 in Verbindung steht. Die Wirkung ist dieselbe wie zuvor beschrieben. In dieser Verbindung kann eine Drossel 55 angeordnet sein.

Eine Abwanldung des Ausführungsbeispiels nach den Fig. 9a* 9b zeigt das Ausführungsbeispiel nach der Fig. 11. Hier wird den Saugbereichen an den Gewindeflanken des Flachgewindes 54 Druckmittel über einen Kanal 52 zugeführt, der vom Raum 8 ausgeht. Vom Kanal führen Bohrungen 55 zu den genannten Bereichen.

Anstatt der dargestellten und beschriebenen Flachgewinde können selbstverständlich auch alle anderen Gewindearten und Nutenformen benutzt werden, die sich¹ zum Fördern von Flüssigkeiten eignen. Hierbei können die Gewinde ein- oder auch mehrgängig ausgebildet sein. Selbstverständlich können alle oben beschriebenen Möglichkeiten zum Vermeiden von Kavitation miteinander kombiniert werden. Die Ausnehmungen können nur in der einen Fläche aber auch in beiden Flächen ausgebildet sein, die relativ zueinander rotieren. Es besteht darüberhinaus auch die Möglichkeit, mehr als zwei relativ zueinander rotierende Teile zu kombinieren, z. B. ein rotierendes Teil und zwei feststehende Teile, wobei die Ausnehmung im rotierenden Teil ausgebildet sein kann (Doppellager).

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Ansprüche;

1.1 Vorrichtung zum Fördern von Flüssigkeiten, bestehend aus mindestens zwei relativ zueinander rotierenden Teilen, wobei in der Oberfläche wenigstens eines Teils, die einer Oberfläche des anderen Teils zugewandt ist, wenigstens eine Ausnehmung (Nut oder Gewinde) zum Fördern der Flüssigkeit ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Eintritts der Flüssigkeit in die Ausnehmung (2, 12, 13, 15, 17, 18, 19, 24, 34, 51, ²K), 46, 54) kavitationsverhindernde Mittel vorgesehen sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kavitationsverhindernden Mittel sich bis zu einer Zone erstrecken, in der Überdruck herrscht.

5. Vorrichtung nach- Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Neigung der Ausnehmung zur Richtung der Relativgeschwindigkeit der zueinander bewegten Teile im Bereich des Eintritts der Flüssigkeit in die Ausnehmung kleiner ist als in deren anderen Bereichen.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Neigung der Ausnehmung im Bereich des Eintritts der Flüssigkeit in die Ausnehmung kontinuierlich oder diskontinuierlich ändert.

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5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis J5, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Tiefe (t) der Ausnehmung im Bereich des Eintritts der Flüssigkeit in die Ausnehmung zum Gewindeende (4^!) hin größer v/erdend kontinuierlich oder diskontinuierlich ändert.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 5.» dadurch gekennzeichnet, daß' die dem die Ausnehmung tragenden Teil (26, J5O) gegenüberliegende glatte Fläche (27, 52) eine den Abstand zu diesem Teil im Eintrittsbereich der Flüssigkeit vergrößerende Form aufweist.

7.· Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausnehmung mindestens im Eintrittsbereich der Flüssigkeit zusätzlich Flüssigkeit aus einem Bereich mit Überdruck zugeführt wird. ·

8. Vorrichtung nach Anspruch 7* dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Flüssigkeit an der saugenden Flanke (36, 45) der Ausnehmung zugeführt wird, Vielehe - bezogen auf die Richtung der Relativgeschwindigkeit der beiden zueinander beweglichen Teile, zeitlich gesehen - vor der dieser Flanke gegenüberliegenden Flanke der Ausnehmung liegt.

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9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der saugenden Flanke eine Vertiefung (37) ausgebildet ist, die über einen in einer Welle (39) angeordneten Kanal (4θ) mit dem Überdruckbereich in Verbindung steht, und daß im Kanal ein sich in Richtung zum Unterdruckbereich öffnendes Rückschlagventil (42) angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9j dadurch gekennzeichnet, daß das Rückschlagventil außermittig zur Wellenachse angeordnet ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Flüssigkeit dem Eintrittsbereich

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über eine ein drosselndes Organ enthaltende Verbindung zugeleitet wird.

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