DE2616337A1 - Pumpe - Google Patents

Description

WILLIAM R. SELWOOD LIMITED, Chandler's Ford, Eastleigh, Hampshire, England

Pumpe

Die Erfindung betrifft eine Pumpe mit einem Pumpenkörper, der wenigstens eine Pumpenkammer aufweist, die an ihren einander gegenüberliegenden Enden mit einem Pumpeneinlaß bzw. einem Pumpenauslaß-kommuniziert; einem in der Pumpenkammer vorgesehenen, in Längsrichtung der Achse der Kammer durch Antriebsmittel hin- und herbeweglichen Betätigungsglied, welches einen relativ starren mittleren Abschnitt und einen sich am Umfang erstreckenden Dichtungsring aufweist, der in einem Zwischenraum festgehalten ist und in nicht gleitendem fließmitteldichtem Eingriff zwischen dem mittleren Abschnitt und einer Seitenwand der Pumpenkammer steht; Ventileinrichtungen, welche das zwischen Pumpeneinlaß und Pumpenauslaß durch die Pumpenkammer strömende Fließmittel steuern; und zwischen Pumpeneinlaß- und aus-

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ORiGINAL INSPECTED

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laß wirksamen Mitteln zur Erzeugung von FließmitteIkapazitanz und Fließmittelinduktanz, die die Betriebscharakteristik der Pumpe beeinflussen.

Eine gattungsgemäße Pumpe ist aus der DT-PS 1 528 535 bekannt. Die dort beschriebenen Ausführungsformen sind für das Pumpen von gegebenenfalls durch suspendierte Feststoffe verunreinigtem Wasser bei Drainagearbeiten, in Baugruben und für andere Anwendungsgebiete bestimmt, bei denen der Auslaß der Pumpe dauernd offen ist. Um das Ansaugen der Pumpe zu erleichtern, weist die Ventilanordnung der bekannten Pumpe nicht nur ein am Betätigungsglied angeordnetes Einwegventil (Betätigungsventil) auf, sondern hat auch weitere im Strömungsweg der Pumpe stromaufwärts und stromabwärts des Betätigungsglieds liegende Einwegventile die nur eine Strömung vom Einlaß zum Auslaß der Pumpe gestatten. Das stromabwärts des Betätigungsglieds liegende Einwegventil ist dabei zwischen dem Betätigungsglied und den die Fließmittelkapazitanz bewirkenden Mitteln angeordnet, welch letztere in der vorerwähnten Patentschrift als Druckspeicherund Wiederabgabevorrxchtung bezeichnet sind.

Obwohl sich die allgemeine Anordnung der Betätigungsventile und der Fließmittelkapazitanzmittel, sowie der in der vorerwähnten Patentschrift anders bezeichneten Fließmittelinduktanzmittel für im Bauwesen verwendete Pumpen, bei denen ein immer offener Pumpenauslaß erforderlich oder zulässig ist, außerordentlich gut eignet, ist sie doch für gewisse andere Anwendungsgebiete ungeeignet.

Insbesondere kann es für viele Betriebe, die Pumpen zur Fließmittelhandhabung verwenden, erforderlich sein, den Abfluß des geförderten Fließmittels durch ein Absperrventil

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zu regeln, das am Pumpenauslaß oder stromabwärts dieses Auslasses angeordnet ist. Ein solches Absperrventil behindert aber, wenn es von Hand oder anderweitig geschlossen worden ist, das Fördern des Fließmittels in erheblichem Maße. Auch unter anderen Umständen können ähnliche oder analoge Schwierigkeiten im Betrieb auftreten.

Unter solchen Bedingungen kann bei den in der vorerwähnten Patentschrift erwähnten Pumpen ein übermäßig großer Druckanstieg in der stromabwärts des Betätigungsglieds liegenden Druckkammer auftreten, so daß bei übersteigen der Belastungsgrenze die Pumpenkammer oder Teile des Pumpenantriebs oder der Betätigungsglieder beschädigt werden können. Es wäre aber nicht möglich, die Pumpe vom Druckanstieg zu entlasten oder den Druck zu verringern, indem man Fließmittel innerhalb der Pumpe von einer der Druckkammern zu einer anderen strömen läßt, weil eine Verbindung zwischen den Kammern durch die am Auslaß dieser Kammern vorhandenen Einwegventile blockiert ist. Ferner würden in den Kammern oder teilweise in den Kammern angeordnete kapazitive Elemente (Fließmittelkapazitanzen) die vorbeschriebenen Schwierigkeiten nicht ausreichend beheben können.

Auch die übliche Lösung des Problems durch Einbauen eines gesonderten Entlastungsventils würde sich wirtschaftlich nicht rentieren, da Entlastungsventile, die an sich bei vielen Betriebszuständen zufriedenstellend arbeiten, erhebliche Kosten verusachen,.die unter Umständen höher als die Kosten für die Pumpe selbst sein können.

Nach sorgfältiger Analyse der Strömungs- und Druckcharakteristiken einer Pumpe der eingangs erwähnten Art wurde gefunden, daß eine solche Pumpe so konstruiert werden kann,

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INSPECTED

daß ein übermäßiger Druckanstieg bei Absperrung des Pumpenauslasses vermieden wird, ohne daß dabei die Vorteile einer günstigen Charakteristik mit gutem volumetrischen Wirkungsgrad im normalen Arbeitsbereich der Pumpe beeinträchtigt werden. Ferner wurde gefunden, daß bei einer solchen, einen übermäßigen Druckanstieg bei Absperrung des Pumpenabflusses vermeidenden Pumpenkonstruktion, der bei steigendem Druck zum Antrieb der Pumpe erforderliche Energiebedarf gesenkt werden kann.

Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß die Ventileinrichtungen ausschließlich am Betätigungsglied angeordnet sind; daß der Pumpenkörper einen Strömungsweg enthält, der so ausgebildet ist, daß bei Absperrung des Pumpenauslasses innerhalb des Pumpenkörpers eine unter Druckentlastung vor sich gehende, Fließmittelströmung von und zu der Pumpenkammer zyklisch erfolgen kann; und daß die Fließmittelkapazitanz während es ganzen Arbeitsspiels der Pumpe wirksam ist.

Vorzugsweise weist die Pumpe eine Anzahl von Pumpenkammern und diesen zugeordneten Betatigungsgliedern, sowie diese Glieder in gleichförmigem zeitlichem Abstand während des Arbeitszyklus der Pumpe betätigende" Antriebsmittel auf. In vorteilhafter Weise umfaßt der die Druckentlastungsvorrichtung enthaltende Teil des Strömungswegs Leitungen die jede der Kammern mit dem Aulaß und/oder dem Einlaß verbinden und von denen jede einen Teil der Fließmittelinduktanz erzeugt.

Die Fließmittelkapazitanz kann in manchen Fällen aus einem oder mehreren elastisch verformbaren und versetzbaren Elementen bestehen, die in der Pumpenkammer selbst angeordnet

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sind oder eine Begrenzung der Pumpenkammern oder eine Begrenzung der die Induktanz darstellenden Leitungen bilden. Zur Erzeugung der Fließmittelkapazitanz geeignete Teile sind die Dichtungsringe der Betätigungsglieder und/oder die Betätigungsventile selbst sowie elastisch deformierbare und versetzbare Wandelemente einer nahe dem Auslaß der Pumpenkammer angeordneten, die Fließmittelinduktanz bildenden Leitung.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigt bzw. zeigen:

Fig. 1 eine teils im senkrechten Schnitt

gezeigte Seitenansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Pumpe;

Fig. 2 einen Querschnitt gemäß der Linie 2-2 der Fig. 1;

Fig. 3 einen von oben gesehenen Horizontalschnitt gemäß der Linie 3-3 der Fig. 1;

Fig. 4 eine im Schnitt gezeigte Teilansicht gemäß der Linie 4-4 der Fig. 5, in der eine Ausführungsform eines kapazitiven Elements gezeigt ist, das entweder alternativ oder zusätzlich zu den kapazitiven Elementen der Pumpe nach Fig. 1-3 verwendet v/erden kann;

Fig. 5 eine senkrechte Schnittansicht einer Förderleitung mit dem in Fig. 4 gezeigten kapazitiven Element und einem Absperrventil;

Fig. 6A bis 6D graphische und schematische Darstellungen der Fließmittelströmung und der Bewegung der Betätigungsglieder im Pumpenbetrieb bei geringer Förderhöhe;

Fig. 7A bis 7D ähnliche graphische und schematische Darstellungen wie in Fig. 6A - 6D für eine Pumpe mit großer Förderhöhe und mit Unterbrechung des Förderstroms, bei-

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spielsweise durch Schließen des in Fig. 5 gezeigten Absperrventils; und

Fig. 8 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen verschiedenen Pumpenparametern, nämlich dimensionslose Strömung (Abszisse) und dimensionslose Förderhöhe (Ordinate) bei verschiedenen Werten von p (Verhältnis der tatsächlichen Pumpenfrequenz zur Resonanzfrequenz.) für unterhalb der Resonanz liegende Werte von ρ .

Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Pumpe als Hauptbauteile eine Pumpenkammer- und Verteileranordnung 1O₇ einen Antriebsmotor 11, eine zum Übertragen des Antriebs vom Antriebsmotor 11 auf ein Verbindungsglied und von diesem auf die Betätigungsglieder dienende Antriebseinheit 12, das geförderte Fließmittel abführende Auslaßbauteile 13 und 14 sowie eine abstützende Basis 15 auf.

Die Pumpenkammer- und Verteileranordnung 10 hat zwei zylindrische Abschnitte 16a, 16b, welche die Seitenwände entsprechender Pumpenkammern 17a, 17b bilden und durch einen zentralen, zylindrischen Abschnitt 18 integral miteinander verbunden sind, welcher die seitliche Begrenzung einer Kammer 19 zwischen den beiden Pumpenkammern bildet.

Innerhalb der beiden Pumpenkammern sind Buchsen 20a, 20b angebracht, die durch kegelstumpfartige Stege 21a, 21b mit den Seitenwänden der Pumpenkammern an deren inneren Enden verbunden sind.

Die Pumpenkammern enthalten Betätigungsglieder 23a, 23b, die in den Pumpenkammern axial beweglich sind und starre mittlere Abschnitte 24a, 24b sowie in Umfangsrichtung sich erstreckende Dichtungsringe 25a, 25b aufweisen, deren Befestigungsabschnitte in ringförmigen Ausnehmungen in den

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Umfangsflächen der mittleren Abschnitte bzw. in den Seitenwänden der Pumpenkainmern sitzen, wodurch eine nicht-gleitende, aber fließmitteldichte Zuordnung gewährleistet ist. Die Dichtungsringe weisen derartige radiale Abmessungen auf, daß sichergestellt ist, daß sie in dem Abstandsraum zwischen den Haupt-Zentralabschnitten jedes Betätigungsglieds und den Seitenwänden der zugeordneten Pumpenkammern während der Hubbewegungen der Betätigungsglieder in radialer Kompression gehalten werden.

Die Betätigungsglieder sind miteinander durch ein Verbindungsglied 26 verbunden, welches Endabschnitte 26a, 26b aufweist, die in Ausnehmungen sitzen, welche in den Zentralabschnitten der jeweiligen Betätigungsglieder gebildet sind. Die Endabschnitte 26a, 26b sind relativ zu den jeweiligen Pumpenkammern durch Dichtungsringe 28a, 28b abgedichtet, die ebenfalls unter radialer Kompression stehen und innere Befestigungsabschnitte aufweisen, die zwischen Schultern 29a_f 29b des Verbindungsglieds und an den sich gegenüberliegenden Endflächen von Anschlägen 30a, 30b vorgesehen sind, während die äußeren Befestigungsabschnitte dieser Dichtungsringe in Ausnehmungen der Buchsen 20a, 20b aufgenommen sind.

Jedem der Betätigungsglieder ist ein Betatigungsventil zugeordnet, welches Öffnungen 31a, 31b aufweist, die sich axial durch die mittleren Abschnitte erstrecken. An der stromab gekehrten Fläche jedes dieser Abschnitte sind Ringventilsitze 32a, 32b vorgesehen. Klappenventilelemente 33a, 33b liegen über den Öffnungen 31a, 31b und stehen mit den Ventilsitzen 32a, 32b in Eingriff. Die Ventilelemente werden durch Befestigungsbuchsen 34a, 34b festgehalten, die auf Gewinde-Endabschnitte von Stiften 35a, 35b aufgeschraubt sind, welche mit den Endabschnitten 26a, 26b einstückig aus-

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gebildet sind. Die Ventilelemente können mit diesen Buchsen verbunden, insbesondere auch verklebt sein.

Hinsichtlich der Antriebsvorrichtung ist zu bemerken, daß der Antriebsmotor 11 entweder ein Elektromotor oder aber auch eine Verbrennungskraftmaschine sein kann. Im Falle eines Elektromotors handelt es sich üblicherweise um einen mit Wechselstrom arbeitenden Induktionsmotor, der mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit läuft, beispielsweise mit etwa 1500 UpM, wenn die Versorgung mittels einer Wechselstromquelle mit einer Frequenz von 50 Hz erfolgt*

Die Antriebseinheit (Fig. 1 und 3) weist ein im wesentlichen zylindrisches Gehäuse 36 auf, das durch an den Innenflächen von flanschartigen Vorsprüngen 39, 40 der Anordnung 10 angeordnete Paßflächen 37, 38 radial abgestützt und durch Anliegen seines radial vorspringenden Flansches 41 an einer Anschlagfläche 42 der Anordnung 10 axial fixiert ist. Nicht gezeigte Paßstifte können zur winkelmäßigen Fixierung der Antriebseinheit relativ zur Achse 4 vorgesehen sein.

Am Gehäuse sind innere Sitzflächen 44, 45 für die äußeren Laufringe von Lagern 46, 47 vorgesehen.

Durch diese Lager ist eine Antriebsspindel 48 abgestützt/ deren inneres Ende einen Exzenter oder einen Kurbelzapfen trägt, auf dem der innere Laufring eines Lagers 50 sitzt,-dessen äußerer Laufring am jochartigen Mittelabschnitt 51 des Verbindungsglieds 26 anliegt und dadurch die hin- und hergehende Bewegung der Betätigungsglieder axial zu den Pumpenkammern bewirkt.

An ihrem anderen Ende ist die Spindel 4 8 mit einem Paar von

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komplementären Kupplungselementen 52 versehen, die durch Zapfen 53 und durch auf der Motorwelle 55 befestigte Zapfenlager 54 axial zueinander verschiebbar sind.

Die die Lager 46, 47 aufnehmende Kammer kann Schmieröl 36a enthalten, das über ein mit einem Stopfen 56a verschließbares Einfüllrohr 56 zugeführt wird. Am Lager 46 kann bei 57 ein Öldichtungsring vorgesehen sein. Das Lager 47 wird durch einen Seegerring 58 in seinem Sitz gehalten.

Die äußeren Enden der Pumpenkammern sind von Zylinderköpfen 57a, 57 b umschlossen, in deren oberen seitlichen Bereichen Durchlässe 58a, 58b angeordnet sind, die direkt mit Durchlässen 59a, 59b der Verteileranordnung 10 kommunizieren. Die Durchlässe 59a, 59b sind an ihren inneren Enden durch einen senkrechten Steg 60 unterteilt, der nach oben in den Auslaß 61 hineinragt.

Zwischen den aneinanderliegenden Flächen der Zylinderköpfe 57a, 57b und der Verteileranordnung 10 sind geeignete Dichtungen 61a, 61b vorgesehen. Zur Befestigung der Zylinderköpfe dienen nicht gezeigte Schrauben.

Der Auslaßbauteil 13 kann ein angeflanschter Krümmer sein, der innen durch einen in der gleichen Ebene wie der Steg liegenden Steg 62 unterteilt ist, wobei zwischen dem Flansch 13a des Bauteils 13 und der den Auslaß 61 umgebenden Auflagefläche 64 eine Dichtung 63 vorgesehen ist, die einen zwischen den Stegen 60 und 6 2 liegenden Dichtungsstreifen 63a aufweist.

Falls erwünscht kann der Auslaßbauteil 14 ebenfalls durch einen Steg 65 unterteilt sein, wobei in diesem Fall die

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zwischen den Flanschen 67 und 68 liegende Dichtung 6 6 ebenfalls einen zwischen den Stegen 65 und 62 liegenden Dichtungsstreifen hat. Die Flansche 13a, 67 und 68 sind durch nicht gezeigte Schrauben befestigt.

Es sei darauf hingewiesen, daß die Länge der Bauteile 13 und 14 und die jeweils vorhandene Anzahl dieser Bauteile zur Veränderung der Induktanz der Pumpe geändert werden kann. Ferner kann jeder dieser Bauteile innen durch einen Steg unterteilt sein. Wenn aber eine geringere Induktanz erforderlich oder es aus baulichen Gründen bequemer ist, die bisherige Länge eines Bauteils beizubehalten, kann"in einer geeigneten Anzahl von Bauteilen vom stromabwärtigen Ende der aus den Bauteilen bestehenden Leitung der Steg weggelassen werden, beispielsweise also der Steg des Bauteils 14.

Beim Betrieb tritt das zu pumpende Fließmittel durch den Einlaß 69 ein, strömt von der im Hauptbauteil 10 liegenden Einlaßkammer 69a zu den Pumpenkammern 17a, 17b an den Innenseiten der Betätigungsglxeder dieser Kammern und tritt während bestimmter Abschnitte des Purnpvorgangs über die bereits beschriebenen Betätigungsventile durch die Betätigungsglxeder hindurch, wobei ihm durch die Betätigungsglxeder ein Druck erteilt wird. Das Fließmittel strömt darauf durch die Durchlässe 58a, 58b und entlang der Durchlässe 59a, 59b an beiden Seiten der Stege 60, und 65 zum Auslaß 70.

Durch die Fließmittelsäulen, die innerhalb der Pumpenkammern, innerhalb der zu diesen Kammern führenden Einlasse und innerhalb der Durchlässe 58a, 58b und 59a, 59b vorhanden sind und sich in diesen Räumen bewegen ist hier an sich

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eine gewisse Fließmittelinduktanz vorhanden. Es wird aber ferner durch das in den Durchlässen 62a, 62b an beiden Seiten des Stegs 62 und in den Durchlässen 65a_f 65b an beiden Seiten des Stegs 65 vorhandene und sich in diesen Räumen bewegende Fließmittel eine weitere, bei der Konstruktion festgelegte Fließmittelinduktanz geschaffen. Kapitanzen für das Fließmittel stehen in Form von elastisch verformbaren kapazitiven Elementen zur Verfügung, die an den stromabwärts liegenden Seiten der Betätigungsglieder in den Pumpenkammern angeordnet sind, nämlich die Dichtungsringe 25a, 25b und die Betätigungsventile 33a, 33b.

In Abweichung davon oder zusätzlich können auch kapazitive Elemente (Kapitanzen) der in Fig. 4 und 5 gezeigten Form verwendet werden. In diesen Figuren sind Teile, die funktionell den in der Ausführungsform nach Fig. 1 bis 3 verwendeten Teilen entsprechen, mit Bezugszahlen mit einer vorgesetzten 1 versehen. Der Auslaßbauteil 113 ist in seinem Steg 162 mit einer vorzugsweisen kreisförmigen Öffnung versehen, in der eine seitlich bewegliche Ausgleichsanordnung 180 sitzt, die an sich einen Teil des Stegs 162 und daher auch eine Begrenzung für die an beiden Seiten des Stegs befindlichen Durchlässe 16 2a, 162b darstellt, in welch letzteren die Fließmittelinduktanz erzeugt wird.

Die Anordnung 180 weist einen gegebenenfalls aus starrem Material bestehenden mittleren Abschnitt auf, der zwei Teile 181a, 181b hat, die zusammen eine Scheibe mit einer Ringnut bilden, in der der innere Umfang eines Dichtungsrings 182 sitzt. Der äußere Umfang des Rings sitzt in einer hinterschnittenen Nut in der Innenseite der Öffnung und

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in einem verbreiterten Bereich 16 2c des Stegs 162. Der Dichtungsring 182 ist vorzugsweise radial zwischen dem verbreiterten Stegbereich 162c und den Teilen 181a, 181b der mittleren Scheibe zusammengedrückt. Die Scheibe wird durch Spiralfedern 183a, 183b zentriert. Falls erwünscht können die Scheibenteile 181a, 181b durch Befestigungsmittel zusammengehalten werden.

Es sei darauf hingewiesen, daß der Dichtungsring 182 im Querschnitt ähnlich ausgebildet ist wie die die äußeren Teile der Betätigungsglieder bildenden Dichtungsringe zwischen den Endabschnitten 26a, 26b der Verbindungsglieder und den inneren Enden der Pumpenkammern. Der Dichtungsring kann sich daher im Einklang mit Druckunterschieden in den Durchlässen 162a, 162b bei einer seitlichen Bewegung der Scheibe elastisch verformen, wobei in einer der Federn 183a, 183b Energie gespeichert und von der anderen Energie abgegeben wird, so daß die Flxeßmxttelkapazxtanz bezüglich der in einem der Durchlässe vorhandenden Strömung "aufgeladen" , und bezüglich der Strömung im anderen Durchlaß "entladen" wird.

Die Pumpe kann in einer Anlage verwendet werden, in der der Strom des von der Pumpe geförderten Fließmittels durch ein Absperrventil unterbrochen wird, das außerhalb der Pumpe ' im Fließmittelsystem angeordnet ist. Das Absperrventil kann aber auch ein Teil der Pumpenanordnung sein, wie dies in Fig. 5 gezeigt ist. In beiden Fällen sind die die stromabwärts liegenden Bereiche der Fließmxttelxnduktanz bildenden Durchlässe am stromabwärtigen Ende der Stege 65 und 165 so ausgebildet, daß sie sowohl bei offenem als auch bei geschlossenem Absperrventil miteinander kommunizieren. Um dies zu erreichen, kann der Steg 65 oder 165 innerhalb

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des Auslaßbauteils 14 oder 114 d.h. rechts von der Stirnfläche des Anschlußflansches 14a oder 114a enden, oder es kann wie in Fig. 4 und 5 gezeigt, hinter dem Auslaß 170 zwischen den Bauteilen 14 bzw. 114 und einem Absperrventil 171 ein zusätzliches Auslaßleitungsstück 170a vorgesehen sein, das nicht durch einen Steg unterteilt ist. Das Absperrventil kann von beliebiger Art sein, besteht aber in der Regel aus einem. Leitungsstück 172 mit einem Schlitz 173, der einen Sitz für das bewegliche Ventil 174 bildet. Das Ventilelement ist an einer Ventilstange 175 befestigt, die sich durch eine im Ventilgehäuse 177 angeordnete Stopfbuchse 176 erstreckt und mit einem Handgriff 178 versehen ist.

Die Figuren 6A und 6B zeigen für eine Pumpenkammer und einen Durchlaß einer Pumpe die Geschwindigkeit des Betätigungsglieds (Kurven A1 und A2) und die Geschwindigkeit des Förderstroms (Kurven F1 und F2) während des Pumpens bei Förderhöhe Null (Fig. 6A) oder bei mäßiger Förderhöhe (Fig. 6B). Die Kurven sind über der Zeit aufgetragen.

In der Induktanz findet keine Umkehr der Strömung statt und am Ende des Förderhubs verlangsamt sich das Fließmittel auf eine Geschwindigkeit gH/Ls, worin Ls die Länge der Induktanz ist. Bei Förderhöhe Null wird die aus der Pumpe je Pumpenkammer und Arbeitsspiel austretende Fließmittelmenge gleich Vp A 2TTVjL. (d.h. gleich der unterhalb der Kurve F1 und Fig. 6A befindlichen Fläche) sein, während das vom Kolben (bzw. Betätigungsglied) verdrängte Volumen gleich 2 Vp A/-■. ist. Der volumentrische Wirkungsgrad 0 ist daher

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0 = Vp A ,, —-f = ι [ .

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In Fig. 6A stellt dar oberhalb der Achse liegende, von unten nach oben rechts schraffierte Bereich das je Hub abfließende Fließmittelvolumen dar. Der unterhalb der Achse liegende nach oben links schraffierte Bereich stellt das vom Kolben bei einem Hub verdrängte Volumen dar.

Es sei darauf hingewiesen, daß in Fig. 6B beim Pumpen gegen eine nur geringfügig über Null liegende Förderhöhe, die beispielsweise 20% Absperrdrucks betragen kann, der Zeitraum,welcher für die Bildung des vom Betätigungsglied verdrängten Stroms (powered flow) erforderlich ist, sich relativ zu dem für den Beharrungs- oder Trägheitsstrom benötigten Zeitraum vergrößert hat. Auch der Grad der Verzögerung des Trägheitsstroms hat sich vergrößert. Der nach rechts oben schraffierte Bereich stellt das während des Förderhubs in der Kapazitanz gespeicherte Fließmittelvolumen dar und der links schraffierte Bereich ist gleich dem Fließmittelvolumen, das aus der Kapazitanz zurückgeführt wird. Der Verdrängungsstrom hört auf, wenn die schraffierten Bereiche gleich sind oder, anders ausgedrückt, wenn die momentan vorhandene Strömung gleich gH/Ls ist.

Die schematische Ansicht der Fig. 6C zeigt, wie der Verdrängungsstrom (voll ausgezogene Pfeile Fp) und der Beharrungsstrom (gestrichelte Pfeile Fi) beim Arbeiten der linken Kammer 17a erzeugt werden, während Fig. 6D die Verhältnisse beim Arbeiten der rechten Kammer 17b zeigt, wobei der Verdrängungsstrom durch die gestrichelten Pfeile Fp und der Beharrungsstrom durch die voll ausgezogenen Pfeile Fi dargestellt sind. Die Pfeile S zeigen die Bewegungsrichtung des Verbindungsglieds und der beiden Betätigungsglieder.

Die Verhältnisse bei mittleren Förderhöhen sind in Fig. 7A

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gezeigt, in der für eine Pumpenkammer und den zugehörigen Durchlaß (Induktanz) die Kurve A3 die Geschwindigkeit des Betätigungsglieds und die Kurve F3 die Strömungsgeschwindigkeit durch die Pumpe darstellt. Der Verdrängungsstrom nimmt einen größeren Teil des Arbeitsspiels ein und gegen Ende des Beharrungsstroms stellt sich in der Induktanz eine gewisse Strömungsumkehr ein.

Bei Nullströmung bzw. bei maximaler Förderhöhe (Fig. 7B) nimmt der Verdrängungsstrom über das ganze Arbeitsspiel ein und das im Durchlaß befindliche Fließmittel wird einer harmonischen Verschiebung (Schwingung) mit einer Maximalgeschwindigkeit von ^ma^ ^VP unterworfen, wobei Vp, wie bereits erwähnt, die Maximalgeschwindigkeit des Betätigungsglieds und f* das Verhältnis der Errregungsfreguenz zur Resonanzfrequenz der L-C Anordnung ist. Die Strömungsverlangsamung in der Induktanz am Ende des Verdrängungsstrom wird in Fig. 7B zu gH (Q = O)/LS oder

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in diesem Fall gleich -r~—2 ^- ' ^so ^-^a^

H(Q = 0) = Ls ( -c ) = ^Ls ( g—) ( a^J

worin H (Q = 0) die höchste Förderhöhe, die von der Pumpe erbracht werden kann, bzw. der Absperrdruck ist. Die nach rechts oben bzw. links oben schraffierten Bereiche haben die gleiche Bedeutung wie in Fig. 6B.

Die schematischen Figuren 7C und 7D zeigen die Strömung in der Pumpenanordnung bei abgesperrter Auslaßleitung und bei entgegengesetzten Hüben des mit den Betätigungsgliedern versehenen Verbindungsglieds. Es sei darauf hingewiesen, daß die Fließmittelbewegung lediglich entlang des von den Pumpenkammern und den Induktanzbereichen der Durchlässe

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ORIGINAL INSPECTED Is-- "i.i ι "'I:.:; i -X ' . i:A i.\ Ir. Ά ',

gebildeten inneren Strömungswegs erfolgt, wie dies durch die Pfeile Fp dargestellt ist. Es ist weder ein Abfluß noch ein Zufluß vorhanden und das Absperrventil 171 ist geschlossen.

Änderungen in der Fördermenge Q bei einer Förderhöhe H lassen sich in einfacher Weise der Fig. 8 entnehmen, in der die dimensionslose Förderhöhe'+'über den volumetrisehen Wirkungsgrad 0 für verschiedene Werte des Frequenzverhältnisses p aufgetragen ist, wobei die dimensionslose Förderhöhe wie folgt definiert ist:

jeweils zwischen Ein- und Auslaß vorhandene ,,/ Förderhöhe bei nicht abgesperrtem Betrieb „

Förderhöhe bei Absperrung

Die entsprechende mathematische Gleichung für V ist

Ψ - JL , g ) /A
^T ~ Ls ⁽ J-L ^R ^{} (}Ap

Der volumetrische Wirkungsgrad bzw. die dimensionslose Strömung 0 ist gleich

je Zeiteinheit abfließende Fließmittelmenge

das von den Betätigungsgliedern in der gleichen Zeit verdrängte Volumen

Die entsprechende mathematische Gleichung für 0 ist:

^ A Vp

In den in der Beschreibung verwendeten Gleichungen haben die einzelnen Zeichen die folgende Bedeutung:

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A Querschnitt des Induktionsrohrs Ap Querschnitt des Kolbens (Betätigungsglieds)

C Kapazitanz = -^z—r-37-—rr ⁼ V
^ Steifheit K

H Förderhöhe der Pumpe
L Fließmittelinduktanz

Ls Länge des Induktionsrohrs

Q Fördermenge

R halber Kolbenhub

Vp maximale Kolbengeschwindigkeit ausgedrückt durch den im Induktionsrohr erzeugten Fließmittelstrom Vp = -Jl-R (Ap/A)

g Fallbeschleunigung

f Frequenzverhältnis (= "/-/L₀)

t Zeit

V Geschwindigkeit der Strömung im Induktionsrohr

0 volumetrischer Wirkungsgrad =

Ά Vp

V dimensions lose Förderhöhe = 2_ (_^S—) (—-) (1 - p²) JX. Winkelgeschwindigkeit

j) Winkelgeschwindigkeit, die der Resonanzfrequenz des *"o Resonators entspricht

e Ls

e Fließmittelwichte

V Winkel, bei dem das Betätigungsventil schließt und der Verdrängungsstrom einsetzt.

Die Dimensionen der Durchlässe 62a, 62b, 65a, 65b oder 162a, 16 2b, 165a, 165b, die die vorgesehenen Induktanzen hervorrufen, und die Elastizität der die Kapazitanzen erzeugenden Elemente werden je nach der im Betrieb erforderlichen Geschwin-

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digkeit bzw. dem Geschwindigkeitsbereich der Pumpe so gewählt, daß sie sich im Einklang mit einer den betrieblichen Erfordernissen des Verwenders entsprechend ausgewählten Pumpenkennkurve befinden. Die Fließmittelinduktanz und Kapazitanz wird ferner so gewählt, daß beim Absperren am stromabwärtigen Ende des Bauteils 14 der innere Druck in der Pumpe nicht über einen zulässigen Wert ansteigt, der einen annehmbaren SicherheitsSpielraum gegen Beschädigung von Pumpenteilen, die diesem hohen Druck ausgesetzt sind, bietet.

Die in Frage kommenden Kennkurven sind in Fig. 8 gezeigt. Die Wahl des Frequenzverhältnisses C hängt von den betrieblichen Erfordernissen des Verwenders ab. Wenn es beispielsweise erforderlich ist, die Pumpenförderhöhe so hoch wie möglich zu halten, bevor eine ins Gewicht fallende Umkehr der Strömung in den Induktanzelementen der Pumpe eintritt, wird ein Wert von ^ zwischen 0,5 und 0,6 wünschenswert sein, bei dem an der Umkehrstelle die Werte von ψ bzw. 0 0,42 bzw« 2,70 sind. Unter diesen Umständen würde die Absperrförderhöhe etwa 2,0 bis 2,5 mal so groß sein, wie der vorgesehene Betriebsdruck. Andererseits kann es beabsichtigt sein, die Absperrförderhöhe auf irgendeinen geringen Wert festzusetzen und die Abflußmenge bei geringem Druck zu verringern. Unter solchen Umständen ist ein Wert p von 0,2 oder 0,3 besser geeignet.

Für eine gegebene Pumpe mit den vorbestimmten Parametern von J7- (Umdrehungsgeschwindigkeit) , A/Ap (Verhältnis des Querschnitts des Induktionsrohrs zu dem des Betätigungsglieds), 2R (Hub des Betätigungsglieds) ist es bei Verwendung der Gleichung für die dimensionslose Förderhöhe möglich, die Länge Ls des Induktionsrohrs zu berechnen, die für die vom

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Verwender der Pumpe gewünschte maximale Förderhöhe H (Q = O) oder eine darunter liegende Betriebsförderhöhe erforderlich ist. Gleichzeitig kann durch Verwendung der Gleichung/ die die Induktanz und die Kapazitanz 1/K in Bezug zum Frequenzverhältnis setzt, die für die kapazitiven Komponenten der Pumpe erforderliche Steifheit K berechnet werden.

Gewisse als vorbestimmt angesehene Parameter können, falls erwünscht, geändert werden. Dies trifft inbesondere für R innerhalb von sich aus der Art des Antriebsmotors ergebenden Grenzen für-TLund für A/Ap zu, wobei aber A/Ap vorzugsweise erheblich kleiner als 1, beispielsweise 1/8 sein sollte.

Die Fließmittelinduktanz wird durch die Länge und den Quer schnitt der Durchlässe 62a, 62b, 65a, 65b, 162a, 162b , 165a, 165b bestimmt, wobei in jedem Fall die folgende Gleichung gilt

Induktanz = —-

e = die Wichte des Fließmittels L = die Länge des Durchlasses A = der Querschnitt des Durchlasses

Die Kapazitanz eines kapazitiven Elements ist umgekehrt proportional zu dessen Steifheit K und kann dadurch bestimmt werden, daß man eine Stirnseite des kapazitiven

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Elements dem Druck einer nicht zusammendrückbaren Flüssigkeit ausgesetzt und an der anderen Stirnseite das von der Flüssigkeit verdrängte Volumen der Flüssigkeit mißt. Der Gradient der über dem Volumen (Abszisse) aufgetragenen Druckkennlinie (Ordinate) stellt die Steifheit K dar.

Die Möglichkeit der Herstellung einer Pumpe, die sowohl eine gewünschte Betriebskennlinie als auch einen in Bezug auf Sicherheit noch zulässigen Absperrdruck hat, hängt davon ab, daß die Kapazitanz vom Beginn des Druckanstiegs bis zum Erreichen des Absperrdrucks wirksam ist und aus diesem Grunde liegt ein wesentliches Merkmal der Erfindung und der beschriebenen Ausführungsbeispiele darin, daß die die Kapazitanz bildenden oder diese erzeugenden Elemente während des ganzen Pumpvorgangs den die Induktanz enthaltenden Fließmittelsäulen ausgesetzt sind (d.h. in Druckeingriff miteinander stehen). Die Kapazitanz kann eine lineare oder im wesentlichen lineare Charakteristik des Verhältnisses von Steifheit zum Druck haben. Wenn sich aber das Frequenzverhältnis Z¹ Null nähert, ist eine Kapazitanz mit einer Charakteristik in der die Kurve für Druck (Ordinate) und Steifheit (Abszisse) mit wachsender Steilheit im oberen Bereich des Drucks ansteigt, vorzuziehen.

Es werden also bei den beschriebenen Ausführungsformen die kapazitiven Elemente 25a, 25b, 33a, 33b in der betreffenden Pumpenkammer und nahe dieser Kammer einem Fließmitteldruck ausgesetzt, der von den Fließmittelinduktanzen abhängig ist, die von den bereits erwähnten Fließmittelsäulen dargestellt werden. Die in Fig. 4 gezeigte Anordnung hat ein andersartiges kapazitives Element.

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Claims (8)

S 1923 Ansprüche

1. Pumpe mit einem Pumpenkörper, der wenigstens eine Pumpenkammer aufweist, die an ihren einander gegenüberliegenden Enden mit einem Pumpeneinlaß bzw. einem Pumpenauslaß kommuniziert; einem in der Pumpenkammer vorgesehenen, in Längsrichtung der Achse der Kammer durch Antriebsmittel hin- und herbeweglichen Betätigungsglied, welches einen relativ starren mittleren Abschnitt und einen sich am Umfang erstreckenden Dichtungsring aufweist, der in einem Zwischenraum festgehalten ist und in nicht gleitendem, fließmitteldichtem Eingriff zwischen dem mittleren Abschnitt und einer Seitenwand der Pumpenkammer steht; Ventxleinrichtungen, welche das zwischen Pumpeneinlaß und Pumpenauslaß durch die Pumpenkammer strömende Fließmittel steuern; und zwischen Pumpenein- und auslaß wirksamen Mitteln zur Erzeugung von Fließmittelkapazitanz und Fließmittelinduktanz, die die Betriebscharakteristik der Pumpe beeinflussen, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventileinrichtungen (33a, 33b) ausschließlich am Betätigungsglied angeordnet sind; daß der Pumpenkörper (10, 13, 14) einen Strömungsweg (58a, 59a, 62a, 65a, 65b, 62b, 59b, 58b) enthält, der so ausgebildet ist, daß bei Absperrung des Pumpen-

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aus lasses (70, 170) innerhalb des Pumpenkörpers eine unter Druckentlastung vor sich gehende, Fließmittelströmung von und zu der Pumpenkammer (17a, 17b) zyklisch erfolgen kann; und daß die Fließmittelkapazitanz (25a, 33a, 25b, 33b, 180) während des ganzen Arbeitsspiels der Pumpe wirksam ist.

2. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe eine Vielzahl von Pumpenkammern (17a, 17b) und diesen zugeordneten Betätigungsgliedern (23a, 23b) aufweist; daß die Antriebsmittel (12, 26) die Betätigungsglieder während des ganzen Arbeitsspiels in gleichförmig zeitlichem Abstand betätigen; und daß der Strömungsweg sich stromabwärts der einen Kammer (17a) erstreckende Durchlässe (58a, 59a, 62a, 65a) und sich stromabwärts der anderen Kammer (17b) erstreckende Durchlässe (58b, 59b, 62b, 65b) aufweist und diese Durchlässe an ihren stromabwärtigen Enden miteinander in Verbindung stehen.

3. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fließmittelkapazitanz von wenigstens einem elastisch bewegbaren oder deformierbaren Element· (25a, 25b, 33a, 33b, 181)erzeugt wird, das in unmittelbarer Nähe der Pumpenkammer (17a_r 17b) angeordnet ist.

4. Pumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fließmittelkapazitanz von wenigstens einem der folgenden Elemente erzeugt wird, nämlich den sich am Umfang der Betätigungsglieder (23a, 23b) erstreckenden Dichtungsring (25a, 25b) und daß die Ventileinrichtungen (33a, 33b) direkt am Betätigungsglied angeordnet sind.

5. Pumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die

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Kapazitanz von einem kapazitiven Element (181a, 181b) erzeugt wird, das in einer Öffnung einer Wand (162) angeordnet ist, die sich stromabwärts von den Auslässen der Pumpenkammern erstreckende Durchlässe (162a, 162b) voneinander trennt; daß dem Element (181a, 181b) federnde Mittel (182, 183a, 183b) zugeordnet sind, von denen es quer zur Ebene der Öffnung bewegt werden kann; und daß das Element (181a, 181b) nahe dem Auslaß der Pumpenkammern (17a, 17b) angeordnet ist.

6. Pumpe nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß der Pumpenkörper eine Förderleitung (13, 14, 113, 114) hat, die innen durch einen Steg (62, 1£2, 65, 165) unterteilt ist, so daß an beiden Seiten des Stegs Durchlässe (62a, 162a, 65a, 165a, 65b, 165b, 62b, 162b) gebildet werden, die an ihren stromabwärtigeη Enden miteinander und an ihren stromaufwärtigen Enden mit den Pumpenkammern (17a, 17b) kommunizieren.

7. Pumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Förderleitung aus einzelnen Bauteilen (13, 14, 113, 114) besteht, die an ihren Enden miteinander verbunden sind und die sich zwischen dem Pumpenauslaß (70, 170) und Verteilerdurchlässen erstrecken,welch letztere im Pumpenkörper angeordnet sind und mit den Pumpenkammern kommunizieren; und daß die Fließmittelinduktanz der Pumpe von der Länge der so ausgebildeten Förderleitung und von der Anzahl der sie bildenden Bauteile abhängt.

8. Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Absperrventil (171), das zwischen Offen- und Schließstellungen bewegbar und stromabwärts des Pumpenauslasses (70, 170) mit dem Pumpenkörper verbunden ist.

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