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Flüselzellenpumpe Die Erfindung bezieht sich auf eine Flügelzellenpumpe,
insbesondere Niederdruckpumpe, mit mehreren an einem Rotor angeordneten Flügeln,
die in radialen Nuten des Rotors gleitend beweglich und an der radial äußeren Lauffläche
mit einer Führung dichtend in Eingriff bringbar sind.
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Derartige Flügelzellenpumpen werden auf zahlreichen Gebieten verwendet,
z.B. in der Hydraulik als Energieerzeuger und als Förderpumpen verschiedenartiger
Medien. Im ersteren Fall werden sie als Hochdruckpumpen, im zweiten Fall als Niederdruckpumpen
betrieben. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf den Bereich der Flügelzellen-Niederdruckpumpen.
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Infolge des nicht konzentrischen Verlaufs der Führung in bezug auf
die Rotorachse bewegen sich die Flügel während des Rotorumlaufs in den Nuten auf
und ab, wobei die Laufflächen der Flügel nach Möglichkeit ständig dichtend mit
der
Führung in Eingriff stehen sollen. Auf die Flügel wirken dabei gleichzeitig mehrere
Kräfte ein, die sich zum Teil aufheben. Die Zentripetalkraft versucht, die Flügel
radial nach außen gegen die Führung zu drücken. Die der Druckseite zugekehrte Wirkungsfläche
des radial äußeren Endes der Flügel wirdui Förderdruck beaufschlagt, der den Flügel
in die Nut hinein zu drücken sucht. Falls ein Durchgang für das gepumpte Medium
zwischen Flügel und Nut geschaffen ist, gelangt es auch von der Druckseite in das
Innere der Nut und drückt den Flügel die Zentripetalkraft unterstützend nach außen.
Ferner wirken Reibungskräfte zwischen der Nut und dem Flügel.
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Um jederzeit eine ausreichende Dichtwirkung zu erhalten, ist daher
erforderlich, daß die resultierende Kraft am Flügel diesen in ausreichendem Maße
fest gegen die Führung drückt, um Leckverluste so gering wie möglich zu halten.
Andererseits darf die Andrückkraft nicht zu hoch sein, da sonst unnötiger Flügelverschleiß
und Reibungsverluste die Folge sind. Diese Forderungen lassen sich bei Hochdruckpumpen
verhältnismäßig leicht realisieren, da normalerweise das Fördermitum, die Pumpendrehzahl
und der Druck vorgegeben sind. Schwieriger hingegen erweist sich die Bemessung bei
Niederdruck-Flügelzellenpumpen, die zur Förderung von Medien mit verschiedenen spezfischen
Gewichten und unterschiedlicher Viskosität bei unterschiedlichen Werten für Drehzahl
und Druck herangezogen werden. Darüber hinaus hat sich bei den bekannten Pumpen
diesert Art herausgestellt, daß die Form der Flügel, bei denen
beispielsweise
eine an die Krümmung der Führung angepaßte gekrünnte Lauf fläche vorgesehen ist,
instabile Kräfteverhältnisse zuläßt, die den Wirkungsgrad infolge von Leckverlusten
beeinträchtigen.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Flügelzellenpumpe zu schaffen,
die durch eine günstige Ausbildung der Flügel unabhängig von der Beschaffenheit
des Fördermediums mit einem verbesserten Wirkungsgrad gefahren werden kann.
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bei einer Flügelzellenpumpe der eingangs genannten Art wird diese
Aufgabe dadurch gelöst, daß die Breite der mit der FUhrung in Eingriff bringbaren
Lauffläche kleiner ist als deren Stärke derart, daß die der Druckseite ausgesetzte
obere Wirkungsfläche eines Flügels kleiner ist als seine der Nut zugekehrte Wirkungsfläche.
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Bei den bekannten Pumpen mit gekrümmter Lauffläche der Flügel kann
leicht geschehen, daß die eigentliche Dichtfunktion infolge eines geringfügigen
Verkantens des Flügels von der hinteren Flügelkante - in Laufrichtung gesehen -
übernommen wird, so daß die gesamte Lauf fläche vom Förderdruck beaufschlagt wird.
Reicht andererseits die Zentripetalkraft nicht mehr aus, diesen Druck zu überwinden,wird
die Dichtung zwischen Flügellauffläche und Führnng aufgehoben. Der in Richtung der
Zentripetalkraft wirkende Druck des Fördsmediums auf
die Unterseite
des Flügels wirkt zwar diesem Druck entgegen, er ist jedoch aufgrund des radial
weiter innen liegenden Druckbereichs kleiner als der auf die Lauffläche wirkende
Druck, wenn man die Wirkungsflächen gleich groß annimmt. Bei der Erfindung hingegen
wird eine Lauffläche mit weitaus geringerer Größe verwendet, wobei eine dem Förderdruck
ausgesetzte Wirkungsfläche im Bereich der Lauffläche bewußt in Kauf genommen wird.
Diese Wirkungsfläche zusammet ist der eigentlichen Lauffläche des Flügels ist jedoch
geringer bemessen als die entgegengesetzt gerichtete Wirkungsfläche am unteren Ende
des Flügels, das in der Nut einstzt,so daß der von unten gegen eine größere Fläche
wirkende Förderdruck zumindest den von oben wirkenden Druck aufhebt und die Dichtkraft
im wesentlichen von der Zentripetalkraft übernommen wird.
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In einer Ausführungsform sieht die Erfindung vor, daß der Flügel im
radial äußeren Bereich gekröpft ist und die Lauffläche in Laufrichtung gegenüber
der Flügelmitte versetzt liegt. In vordilhafter eise ist der Flügel erfidungsgemäß
aus Kunststoff geformt, vorzugsweise als Polyamid-Spritzteil.
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Werden die Flügel der erfindungsgemäßen Pumpe aus Kunststoff hergestellt,
erweist es sich erfindungsgemäß als besonders vorteilhaft, wenn der Flügel als Kastenprofil
geformt ist, mit zwei parallelen auf Abstand gehaltenen Schenkeln, dren Außenseite
gleitend mit den Nutwänden zusammenwirkt und die durch auf Abstand gehaltene Querstege
miteinander verbunde
sind und wenn der in Laufrichtung hintere Schenkel
im oberen Bereich gekröpft ist und die Lauffläche trägt. Auf diese Weise wird ein
verhältnismäßig leichter, jedoch stabiler Flügel erhalten, der zugleich geeignete
Durchgänge für das geförderte Medium in das Nutinnere schafft. Ein derart geformter
Flügel läßt sich mit Hilfe des wirtschaftlich vorteilhaften Spritzverfahrens herstellen.
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In diesem Zusammenhang sieht die Erfindung ferner vor, daß der nicht
gekröpfte Schenkel radial in Höhe der Kröpfung des anderen Schenkels endet und daß
die Querstege oberhalb des kürzeren Schenkels abgeschrägt sind.
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In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, daß mindestens ein
Quersteg im oberen Bereich einen Anschlag aufweist.
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Dieser Anschlag kann dazu dienen, ein Gewicht zwischen zwei Querstegen
aufzunehmen, um die Masse des Flügels zu erhöhen und somit die Dichtwirkung. Zweckmäßigerweise
werden die Gewichte symmetrisch in den Endbereichen eines Flügels untergebracht,
um einen gleichmäßigen Druck der Lauf fläche an der Führung über die gesamte Rotorlänge
zu erhalten. Es besteht auch die Möglichkeit, in dem Bereich, in dem die Gewichte
in den Zwischenraum zwischen benachbarten Querstegen eingedie Schenkel setzt werdent/iM
unteren Bereich zu verstärken, um somit einen unteren Anschlag zu bilden.
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Umfaßt die Lauffläche nur einen Teil des Querschnitts des Flügels
und ist sie überdies gegenüber der Flügelmitte versetzt, dann stellen sich unterschiedliche
Dichtwirkungen ein abhängig von der jeweiligen Stellung eines Hügels zwischen Ansaug-
und Abgabeöffnung der Pumpe, die sich normalerweise diametral gegenüberliegen. In
Laufrichtung hinter der Abgabeöffnung werden die Flügel von der nahe an den Rotormantel
herankommenden Führung nahezu vollig in die entsprechende Nut hineingedrückt, da
hier kein Medium gefördert werden soll, sondern lediglich eine Abdichtung zwischen
Ansaug-und Abgabeöffnung vollzogen wird. Eine besonders wirksame Abdichtung während
des Förderweges, entlang dem zwischen den einzelnen Flügeln die Verdrängervolumina
gebildet werden, führt aufgrund der oben beschriebenen Ausbildung eines Flügels
möglicherweise zu einer verschlechterten Dichtwirkung während des übrigen Weges.
Mit dem Ziel, während des gesamten Rotorumlaufs ausreichende Dichtwirkung zu erhalten,
schlägt die Erfindung schließlich vor, daß die Lauf fläche in der Breite geringer
ist als die Stärke des Flgels und gegenüber der Flügelmitte versetzt ist und daß
die Flügel paarweise am Rotor angeordnet sind derart, dB bei einem Flügel eines
Paars die Lauf fläche in einer ersten Umfangsrichtung des Motors und beim anderen
Flügel die Lauf fläche in entgegengesetzter Richtung versetzt ist. Auf diese Weise
ist sichergestllt, daß zumindest immer ein Flügel eines Flügelpaares eine ausreichende
Dichtwirkung erzeugt. Trägt der eine Flügel zur Abdichtung im Förderbereich nicht
viel
bei, dann dichtet er während des Leerweges besonders gut ab.
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Eine derartig ausgebildete Flügelzellenpumpe zeichnet sich daher durch
ihren bp>nders günstigen iirkungsgrad aus. Darüber hinaus erhält man eine besonders
schwache Pulsation des Förderstromes.
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Ein Aufffhrungsbeispiel der Erfindung soll nachfolgend anhand von
Zeichnungen näher beschrieben werden.
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Fig. 1 zeigt teilweise im Schnitt eine Flügelzellenpumpe gemäß der
Erfindung.
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Fig. 2 zeigt einen Teilausschnitt aus der Pumpe nach Fig. 1.
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Fig. 3 zeigt eine Vorderansicht eines Flügels für eine Pumpe nach
den Figuren 1 und 2.
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Fig, 4 zeigt einen Schnitt durch den Flügel nach Fig. 3 entlang der
Linie 4-4.
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Ein Pumpengehäuse lo, das nicht näher beschrieben werden soll, besitzt
zwei diametral gegenüberliegende geflanschte Stutzen 11, 12 für einen Pumpeneinlaß
13 und einen Pumpenauslaß 14.
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Im Pumpengehäuse 10 ist drehbar ein Rotor 15 gelagert, der mit 12
radialen, im gleichmäßigen Abstand angeordneten Nuten 16 versehen ist. In den Nuten
16 sind Flügel 17 gleitend beweglich gelagert. Radial außen liegende Laufflächen
18 der Flügel 17
sind mit einer Führung 19 in Eingriff bringbar,
die nicht konzentrisch zur Achse des Rotors 15 um den Rotor 15 herum im Pumpengehäuse
10 angeordnet ist. Die Drehrichtung der Pumpe ist durch einen Pfeil 20 angedeutet.
Hierbei bilden benachbarte Flügel während ihrer Bewegung vom Pumpeneinlaß 13bis
zum Pumpenauslaß 14 zwischen sich die Fördervolumina, wobei der Dichtungseingriff
zwischen Lauf fläche 18 und der Führung 19 für eine Abdichtung zwischen Pumpeneinlaß
13 und Pumpenauslaß 14 sorgt.
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Die verwendeten Flügel sind vorzugsweise als Polyamid-Spritzteile
geformt und können eine Gestalt haben, wie sie in den Figuren 3 und 4 wiedergegeben
ist. Der dort wiedergegebene Flügel ist als Kastenprofil geformt mit zwei parallel
im Abstand voneinander angeordneten Schenkeln 21, 22. Der Schenkel 21 , der länger
ist als dr Schenkel 22,ist in dem über den Schenkel 22 hinausragenden Teil bei 23
gekröpft. Der gekröpfte Schenkel 21 trägt die Lauf fläche 18, die gegenüber der
Mitte des Flügels 17 etwas versetzt angeordnet ist. Die Schenkel 21 und 22 sind
über Querstege 24 miteinander verbunden. Die Querstege verlaufen rechtwinklig zu
den Schenkeln 21 und 22 und sind oberhalb des kürzeren Schenkels 22 bei 25 abgeschrägt.
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In Fig. 3 ist zu erkennen, daß zwei benachbarte Stege eine Verbreiterung
26 im oberen Bereich aufweisen, welche Verbreiterungen Anschläge für Gewichte bilden,
die zwecks Vergrösserung der Flügelmasse in den Zwischenraum zwischen den benachbarten
Stegen eingesetzt werden. Zwecks symmetrischer
Kraftverteilung
ist am anderen Ende des Flügels 17 in entsprechender Weise eine Verbreiterung für
die Stege zwecks Bildung von Anschlägen getroffen.
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Der dargestellte Flügel 17 liefert die beste Dichtwirkung, wenn er
so in die zugeordnete Nut eingesetzt wird, daß der kürzeeSchenkel 22 in Laufrichtung
vorn liegt. Als maximale dem Förderdruck dann ausgesetzte obere Wirkfläche ergibt
sich eine Gesamtfläche, die sich aus dr Lauffläche 18, der oberenFläche des Schenkels
22 und der Projektion der oberen Flächen der Querstege 24 zusammengesetzt ist. Diese
ist beträchtlich geringer als die Wirkungsfläche am unteren Ende des Flügels 17,
die sich aus den unteren Seiten der Schenkel 21 und 22 und der unteren Seite der
Querstege 24 zusammensetzt. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß der Flügel 17
eine ausreichende Dichtwirkung mit der Führung herbeiführt.
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Damit die Pumpe nach den Figuren 1 und 2 in beiden Drehrichtungen
gleich wirksam betrieben werden kann, sind die FXtel 17 paarweise angeorndet derart,
daß bei einem Flügel eines Paares der kürzere Schenkel in Laufrichtung vorn liegt
und beim anderen Flügel des gleichen Paars nach hinten zeigt. Diese Anordnung der
Flügel 17 geht aus den Figuren 1 und 2 deutlich hervor.