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Pumpe mit veränderbarem Fördervolumen und umkehrbarer Förderrichtung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Pumpe mit veränderbarem Fördervolumen, mit einem
Läufer, welcher eine Anzahl von in Abständen entlang seinem Umfang angeordnete Schlitze
für die Aufnahme von im wesentlichen radial verlaufenden Schiebern aufweist, wobei
die radiale Bewegung der Schieber durch eine eine Kammer in einem den Läufer umgebenden
Gehäuse bildende gekrümmte Fläche gesteuert wird, wobei die Kammer eine Auslaß-
sowie eine Einlaßanordnung zur Bildung von Ansaug-, Dicht- und Auslaßzonen in dem
Gehäuse aufweist.
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Drehschieberpumpen mit umkehrbarer Förderrichtung sind allgemein bekannt.
Ein Beispiel für eine solche Pumpe ist in der US-PS 2 842 064 beschrieben. Gemäß
dieser Beschreibung ist ein entlang seinem Umfang eine Anzahl von gleitend beweglichen,
radial angeordneten Schiebern tragender Läufer drehbar in einer exzentrisch dazu
stehenden Ringkammer gelagert. Bei der Drehung des Läufers wird ein Strömungsmittel
über einen Einlaß in die Kammer gesaugt und unter Druck über einen Auslaß ausgestoßen.
Durch Änderung der Richtung der Exzentrizität läßt sich die Förderrichtung umkehren.
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Bei derartigen Drehschieberpumpen trachtet der Stömungsmitteldruck
in der Kammer'die Schieber in ihre Schlitze hineinzuschieben und damit einen offenen
Strömungsweg zwischen Ein-und Auslaß zu bilden. Geben nun die Schieber dieser Belastung
nach, so hätte die Pumpe offensichtlich einen äußerst schlecliten Wirkungsgrad.
Aus diesem Grunde wurden schon verschiedene Anordnungen vorgeschlagen, welche dem
die Schieber in ihren Schlitzen einwärts belastenden Druck entgegenwirken sollen.
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Bei einer solchen Anordnung sind die unterhalb der einzelnen Schieber
liegenden Innenräume der Schlitze wechselweise mit den Ansaug- und Druckräumen der
Kammer verbunden. Dadurch ergibt sich bei der Umdrehung des Läufers eine durch Druck
bewirkte, die Schieber radial auswärts belastende Kraft.
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Die Schieber sind dadurch unter beträchtlichem Druck in Anlage an
der ringförmigen Innen wandung der Kammer geführt, so daß an ihren äußeren Kanten
betrachtlicher Verschleiß eintritt.
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In einer anderen Anordnung für die Führung der Schieber einer herkömmlichen
Drehschieberpumpe in Anlage an der Ringwandung der Kammer sind unterhalb der einzelnen
Schieber Federn in die Schlitze eingesetzt. Für die Aufrechterhaltung
der
dichtenden Anlage der Schieber-Außenkanten an der Kammerwand unter allen Betriebsbedingungen
ist jedoch eine ziemlich große Federkraft erforderlich. Daraus ergibt sich wiederum
der Nachteil, daß durch Reibung erheblicher Verschleiß an den Schieber-Außenkanten
und der Kammerwandung auftritt.
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Bei einer Pumpe der eingangs genannten Art ist gemäß der Erfindung
vorgesehen, daß die die Kammer begrenzende gekrümmte Fläche im Bereich der' Dichtungszonen
derart ausgebildet ist, daß sie in allen Stellungen des Gehäuses in bezug auf die
Drehachse des Läufers in Drehrichtung des Läufers gegenüber dem Läufer und den Schiebern
einen konstanten oder abnehmenden Radius aufweist.
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Beim Durchgang der Schieber durch die Dichtzone zwischen dem Ansaugraum
und dem Auslaßraum entstehen bekanntlich tangential zum Läufer verlaufende Kraftkomponenten,
aufgrund deren die Schieber an der Wandung der ihnen zugeordneten Schlitze festgehalten
werden. Gemäß der Erfindung ist deshalb vorgesehen, daß die die Kammer begrenzende
gekrümmte Innenfläche in allen Stellungen des Gehäuses in bezug auf die Drehachse
des Läufers im Bereich der Dichtungszonen einen in Drehrichtung des Läufers mit
den Schiebern konstanten oder abnehmenden Radius hat. Vorzugsweise ist der Krümmungsradius
der Dichtflächen über einen weiten Verstellbereich des Gehäuses abnehmend und in
den Endstellungen, also bei größter Exzentrizität in bezug auf den Läufer, konstant.
Bei der Bewegung über diese Flächen brauchen sich die Schieber somit nicht auswärts
zu bewegen, um daran in Anlage zu bleiben.
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Auf ihrem Weg entlang dem Fördersektor der Pumpe bleiben sie entweder
unbewegt in ihren Schlitzen oder sie werden durch einen leichten Anstieg der Dichtfläche
etwas einwärts bewegt.
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Vorzugsweise ist die Pumpe derart ausgebildet, daß die auf die Schieber
in ihren Schlitzen radial einwirkenden Kräfte derart ausgeglichen sind, daß die
Schieber auf ihrem Weg entlang dem jeweiligen Fördersektor der Pumpe im wesentlichen
nur durch Fliehkräfte auswarts,belastet sind.
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Die durch Strömungsmitteldrücke auf die Schieber ausgeübten radialen
Kräfte sind dabei auf hydrostatischem Wege ausgeglichen. Die Fliehkräfte allein
sind ausreichend, die Schieber auswärts in Anlage an der ringförmigen Kammerwandung
zu belasten, ohne daß durch stärkere Reibung ein nennenswerter Verschleiß eintritt.
Der hydrostatische Ausgleich der Kräfte ist gemäß der Erfindung durch die Form der
Schieber erzielt.
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Dadurch, daß die auf die Schieber wirkenden Kräfte hXdrostatisch ausgeglichen
sind und die ringförmige EammersNandung so ausgebildet ist, daß sich die Schieber
beim Durchgang durch die Dicht zonen nicht auswärts zu bewegen brauchen, sind die
Schieber allein durch die Fliehkraft mit ihren Außenrändern in Anlage an der Dicht
fläche gehalten. Die Fliehkräfte sind zwar ausreichend, die Schieber mit ihren Rändern
in dichtender Anlage an der Dichtfläche zu halten, jedoch nicht so groß, daß durch
verstärkte Reibung ein unzuträglicher Verschleiß an einem der Teile aufträte.
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Weitere Merkmale der Erfindung finden sich in der Ausbildung des Ständers
mit einem einstückigen Block, in welchem sich Bohrungen für Lager mühelos herstellen
lassen, in denen dann hoch belastbare Lager in genauer Ausrichtung gehalten sind.
Der Ständer läßt sich aufgrund seines besonderen Aufbaus mühelos der Breite des
Ringkammergehäuses anpassen, um so das Spiel zwischen diesem und es seitlich begrenzenden
Druckdeckeln einzustellen. Die Außenflächen an den Stirnseiten des Gehäuses sind
so groß bemessen, daß der
durch den Innendruck hervorgerufene Querschub
durch ein ihm entgegenwirkendes Strömungamlttelpolster voll ausgeglichen werden
kann.
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Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben
sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung.
Darin zeigt: Fig. 1 eine teilweise im Schnitt dargestellte Seitenansicht einer erfindungsgemäßen
Drehschieberpllmpe, Fig. 2 eine Ansicht im Schnitt entlang der Linie 2-2 in Fig.
1 und Fig. 3 eine Teil-Schnittansicht mit einem Teil des Fuinpenläufers und einer
Dichtfläche eines Gehäuses.
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Die in der Zeichnung dargestellte Drehschieberpumpe 4 hat einen Ständer
5 mit einem Antriebsteil 6 und einer Pumpe kapsel 7.
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Der Ständer 5 hat einen Block 10 mit einer oberen und einer unteren
Wandung 11 bzw. 12, welche einstückig mit einer ringförmigen vorderen Wandung 15
und einer hinteren Wandung 16 gebildet sind. Die vordere und die hintere Wandung
15 bzw. 16 sind jeweils von einer kreisförmigen Bohrung 17 bzw. 18 durchsetzt. Am
Block 10 sind Seitenwandungen 20, 21 jeweils mittels einer Anzahl von herkömmlichen
Maschinenschrauben 22 abnehmbar befestigt. Die Seitenwanqungen 20 und 21 Sind jeweils
von einer EinlaB/Auslaßöffnung 25 bzw. 26 durchsetzt.
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Die Pumpenkapsel 7 sitzt innerhalb des Ständers 5 auf einer Welle
30 des Antriebsteils 6. Die Welle 30'ist mittels einer (nicht gezeigten) Antriebsouelle,
etwa eines Motors, antreibbar. Sie ist in untereinander nahezu gleichen Lagern 31
und .32 an der Vorder- und der Rückseite des Blocks 10 drehbar gelagert.
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Die Lager 31 und 32 haben jeweils einen Innenring 35, welcher auf
einem Teil der Welle 30 mit entsprechendem Durchmesser sitzt, und einen in die zugeordnete
Bohrung 17, 18 in der vorderen bzw. hinteren Wandung 15 bzw. 16 des Blocks 10 eingesetzten
Außenring 38. Zwischen den Innen- und Außenringen 35 bzw. 38 ist jeweils eine Anzahl
von herkömmlichen Kegelrollen 43 in einem Rollenkäfig 44 angeordnet.
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Der Äußenring 38 in der hinteren Wandung 16 des Blocks 10 stützt sich
an einer einwärts stehenden Stufe 50 in der Bohrung 18 ab. Der zugeordnete Innenring
35 stützt sich mit seiner äußeren Stirnseite an einer ringförmigen Stufe 51 der
Welle 30 ab. Als flüssigkeitsdichte Abdichtung ist ein Deckel 53 mit einer die Welle
30 umgebenden elastischen Ringdichtung 54 auf die Welle aufgeschoben und unter Zwischenlage
einer Rondringdichtung 57 mittels gewöhnlicher Maschinenschrauben 58 an der hinteren
Wandung 16 des Blocks 10 befestigt.
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Der Innenring 35 des Lagers an der vorderen Wandung 15 des Blocks
10 ist in bekannter Weise mittels einer Haltemutter 60 auf der Welle 30 befestigt.
Der in der vorderen Wandung 15 sitzende Außenring 38 ist durch einen unter Zwischenlage
einer Rundringdichtung 63 mittels Maschinenschrauben 62 am Block 10 befestigten
Deckel 61 in der Bohrung 17 gehalten.
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Die Pumpenkapsel 7 ist zwischen den beiden Innenringen 35 angeordnet.
Sie enthält einen auf der Welle 30 sitzenden und gemeinsam mit ihr drehbaren Läufer
70. Dieser weist
eine Läuferscheibe 71 auf, welche in bekannter
Weise mittels eines Wellenkeils 72 auf dem Mittelstück der Welle 30 gesichert ist.
Entlang seinem Umfang weist die Läuferscheibe 71 in gleichmäßigen Abständen radial
verlaufende Schieberschlitze 76 auf, in denen gemäß der Erfindung besonders ausgebildete
Schieber 80 gleitend gefülart sind.
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Ferner weist die Pumpenkapsel 7 ein die Ltiuferscheibe 71 mit den
radial angeordneten Schiebern 80 un£ebendes Ringgehäuse 83 auf. Dieses hat eine
im wesentlichen kreisförmige Bohrung 84, in welcher der ufer 70 drehbar angeordnet
ist. Der Durchmesser der Bohrung 84 ist beträchtlich größer als der der Läuferscheibe
71. Dadurch ist zwischen der Wandung der Bohrung 84 und dem Außenrand der Läufer
scheibe 71 eine Ringkammer 85 gebildet.
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Als Abschluß für die Kammer 85 und zum Halten der Schieber 80 in den
sich über die gesamte Breite der Läuferscheibe 71 erstreckenden Schlitzen 76 sind
beiderseits des Gehäuses 83 Druckdeckel 88 angeordnet. Sie bilden so die Sitenandungen
der Pumpenkapsel 7 und befinden sich in Anlage an den Innenringen 35 der beiden
Lager, so daß sie das Gehäuse 83 in Axialrichtung der Welle 30 mit der Läuferscheibe
71 ausgerichtet halten. Die Haltemutter 60 dient dazu, d Lager-Innenringe 35, die
Druckdeckel 88 und den Läufer 70 auf der Welle 30 zu halten.
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An einander gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses 83 sind in Ausrichtung
auf die die Seitenwandungen 20, 21 durchsetzenden Einlaß/Auslaßöffnungen 25 bzw.
26 diese mit der Kammer 85 der Bohrung 84 verbindende Einlaß/Auslaßkammern 91, 92
gebildet. Die oberen und unteren Begrenzungen 93, 99 bzw. 95, 100 der Kammern 91
bzw. 92 bilden in Umfangsrichtung die Begrenzungen für Einlaß/Auslaßräume 107, 108
in der Kammer 85. Zwischen den Einlaß/Auslaßräumen 107, 108 sind durch Wandungsteile
113, 114 der Bohrung 84 zwei Dicht zonen
110, 111 gebildet. Aus
nachstehend im einzelnen erläuterten Gründen nehmen die Krümmungsradien der Wandungsteile
113, 114 in alten Stellungen des Läufers 70 in dessen Drehrichtung, bezogen auf
die Achse der Welle 30, geringfügig ab. Gegebenenfalls können die Krümmungsradien
defr Wandungsteile 113 und 114 jedoch in den Endstellungen mit der größten Exzentrizität
des Läufers 70 in bezug auf die Welle 30 auch konstant sein, anstatt abzunehmen,
sie sollen jedoch an keiner Stelle zunehmen.
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Wie man ohne Schwierigkeit erkennt, ist im Betrieb der Pumpe 4 die
Förderrichtung sowie das Fördervolumen durch die Stellung des Gehäuses 83 in bezug
auf die Achse der Welle 30 und damit auf die Drehachse des Läufers 70 bestimmt.
Dazu ist das Gehäuse 83 auf seitlichen Gleitflächen 120 senkrecht zwischen den Seitenwänden
20, 21 des Ständers 5 verschieblich.
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In den beiden Gleitflächen 120 ist jeweils eine flache Vertiefung
121 gebildet. Die Flächengröße der Vertiefungen 121 entspricht ungefähr der projizierten
Flächengröße der vom Strömungsmitteldruck beaufschlagten Teile der Innenfläche des
Gehäuses 83. Im Betrieb der Pumpe 4 füllen sich die Vertiefungen 121 mit dem geförderten
Strömungsmittel unter einem dem im Innenren des Gehäuses 83 herrschenden gleichen
Druck, so daß jegliche Kräfte, welche zu einer übermäßigen Reibung zwischen dem
Gehäuse 83 und den Seitenwänden 20, 21 führen könnten, ausgeglichen sind.
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Zum Steuren der Förderrichtung und des Fördervolumens der Pumpe 4
läßt sich das Gehäuse 83 mittels einer Bedienungsstange 125 senkrecht im Ständer
5 verschieben. Die Bedienungsstange 125 ist unter Zwischenlage einer Rundringdichtung
126 gleitend in einer Bohrung in der Oberseite des Blocks 10 geführt. Ein scheibenförmiger
Kopf 127 am unteren Ende der Stange 125 ist von der Seite her lose in einen entsprechenden
Schlitz im Gehäuse 83 eingeführt und bildet so die bewegungsübertragende Verbindung
zwischen der Stange und dem Gehäuse.
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Gemäß der Erfindung ist die Pumpenkapsel 7 sicher zwischen den Lagern
31, 32 gehalten, so daß das Gehäuse 83 in Axia]-richtung nicht durch den Ständer
5 geführt zu sein braucht sondern sich seine Stellung schwimmend selbst suchen kann.
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Daher werden durch äußere Einflüsse abf die Welle 30 ausgeübte Axialkräfte
nicht in Form von Schubkräften auf das Gehäuse 83 übertragen.
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Die in den Schlitzen 76 der Läuferscheibe 71 geführten Schieber 80
sind so ausgebildet, daß die auf sie einwirkenden, sie in ihren Schlitzen radial
auswärts oder einwärts zu verschieben trachtenden Kräfte derart ausgeglichen sind,
daß die Schieber allein durch Fliehkräfte in Anlage an der Innenwandung der Bohrung
84 des Gehäuses 83 gehalten sind. An den äußeren Enden der Schieber ist jeweils
eine über die Vorderfläche 131 hervorstehende Nase 130 gebildet. Diese hat eine
gegenüber der ebenen Vorderfläche 131 des Schiebers um etwa 450 geneigt verlaufende
ebene Oberseite 132 und eine dazu in einem Winkel von etwa 700 verlaufende ebene
Unterseite 133.
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Die Unterseite 133 der Nase 130 stößt mit einer weiteren ebenen Unterseite
137 des Schiebers selbst zusammen und bildet damit eine genau in der Ebene der Vorderfläche
131 verlaufende Brührungslinie für die Anlage an der Innenfläche 84 des Gehäuses
83. Anstelle der ebenen Flächen 133 und 137 kann auch eine einzige fortlaufend gekrümmte
Fläche derart angeordnet sein, daß ihre Berührungslinie mit der Innenfläche des
Gehäuses 83 ebenfalls in der Ebene der Vorderfläche 130 verläuft.
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An der anderen Seite 140 des Schiebers 80 verlaufen Strömungsmitteldurchlässe
in Form von Nuten 141 von der ebenen Unterseite 137 zur inneren Stirnfläche 142
des Schiebers. Der an der Seite 140 des Schiebers herrschende Druck wirkt auf die
Unterseite
137 sowie über die Nuten 141 auf die innere Stirnfläche des Schiebers. Da diese
beiden Flächen im wesentlichen gleiche Größe haben, ergibt sich somit ein Ausgleich
der Radialkräfte. In entsprechender Weise beaufschlagt der Strömungsmitteldruck
an der Vorderseite 11 des Schiebers die Oberseite 132 und die Unterseite 133 der
Nase 130. Diese Flächen haben ebenfalls im wesentlichen gleiche Größe, so daß auch
hier die radialen Kräfte ausgeglichen sind. Die Vorderfläche 131 bildet mit der
ihr zugewandten Wand des Schlitzes 76 eine im wesentlichen flüssigkeitsdichte Abdichtung.
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Im Betrieb der Pumpe 4 ist der Läufer 70 mit der Welle 30 in Fig.
1 in Gegenzeigersinn angetrieben. Bei der'in dieser Figur dargestellten exzentrischen
Anordnung des Gehäuses 83 gegenüber dem Läufer 70 wird ein Strömungsmittel von links
nach rechts, also von der Einlaßöffnung 25 zur Auslaßöffnung 26 gefördert.
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Die bei der Drehung des Läufers 70 entstehenden Fliehkräfte sind bestrebt,
die Schieber 80 auswärts zur Ringwandung 84 des Gehäuses 83 zu bewegen. Beim übertritt
der einzelnen Schieber vom Einlaß- oder Ansaugraum-107 in die Dicht zone 111 werden
ihre Vorderseiten 131 mit einem erhöhten Druck beaufschlagt, welcher den Schieber
unter überwindung der ihn nach außen hin belastenden Fliehkräfte in seinem Schlitz
festzuhalten trachtet. Gemäß der Erfindung nimmt jedoch der Krümmungsradius des
Wandungsteils 114 in der Dicht zone des Gehäuses 83 in der Drehrichtung des Läufers
70, bezogen auf seine Drehachse ab, so daß das Flächenteil 114 also etwas ansteigt.
Auf ihrem Weg durch die Dichtzone 111 werden die Schieber 80 somit von dem Flächenteil
114 progressiv einwärts geschoben und bleiben damit mit ihren Außenrändern in sicherer
Anlage an der Ringwandung, so daß ein Zurückfließen des Strömungsmittels nicht möglich
ist.
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Beim Durchkang durch den Auslaßraum 108 der Kammer 85 können die Schieber
80 dann wieder unter dem Einfluß der Fliehkraft der Wandung 84 bis zur Dicht zone
110 folgen.
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An dieser Stelle wird die Einwirkung des Strönunsdrucks in dem Auslaßraum
108 auf die Vorderfläche 131 dor Schieber unterbrochen, so daß der auf die Rückseite
140 einwirkende, nun nicht mehr ausgeglichene Druck den Schieber 80 wieder in seinem
Schlitz 76 festzuhalten trachtet.
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Wiederum jedoch bleibt die dicht ende Anlage der äußeren Ränder der
Schieber an der Kämmerwandung 113 aufgrund von deren Anstieg erhalten.
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Die Steuerung des Fördervolumens der Pumpe 4 erfolgt über die Bedienungsstange
125. Bewegt man das Gehäuse 83 in eine Stellung mit geringerer Exzentrizität des
Läufers 70, so verringert sich die Fördermenge, bis die Förderung bei der konzentrischen
Stellung ganz aufhört. Ein Verschieben des Gehäuses 83 über diese Stellung hinaus
läßt die Förderung der Pumpe in entgegengesetzter Richtung einsetzen und stetig
zunehmen, bis das Gehäuse 83 eine Stellung größter Exzentrizität in der der in Fig.
1 gezeigten entgegengesetzten Richtung erreicht hat.
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Somit schafft die Erfindung eine Drehschieberpumpe mit veränderbarem
Fördervolumen und umkehrbarer Förderrichtung, welche bei geringstmöglichem Verschleiß
der bewegten Teile eine hohe Förderleistung ermöglicht. Die Pumpe hat einen kompakt
ausgebildeten Ständer, welcher sich ohne Schwierigkeit herstellen und auf die erforderlichen
Toleranzen bearbeiten läßt. In der gesamten Pumpe sind die verschiedene Flächen
beaufschlagenden Drücke im wesentlichen ausgeglichen, so daß die Gleitreibung zwischen
den einzelnen Teilen gering ist.
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Für den Betrieb der Pumpe wurde vorstehend zwar eine Umdrehung des
Läufers im Gegenzeigerslnn angegeben, so daß also die Flächen 131 der Schieber deren
vordere und die Flächen 140 deren hintere Flächen sind. STeben Zieser bevorzugten
Betriebsweise ist jedoch auch eine gute Wirkung zu erzielen, wenn die Schieber 80
umgekehrt in den Schlitzen gehalten sind, die genutete Fläche 140 also die Vorderseite
bildet.