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Pumpvorrichtung zum Hochansaugen
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Die Erfindung betrifft eine Pumpvorrichtung zum Hochansaugen flüssiger
Medien, d.h. zum Indirektansaugen flüssiger Medien ohne Rücksicht auf deren Ansaughöhe.
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Nach einem von Torricelli aufgestellten Gesetz steht die Ansaughöhe
einer Pumpe mit dem atmosphärischen Druck in Wechselbeziehung und beträgt maximal
10 m Wassersäule. Dieses "Gesetz von 10 m Wassersäule" ist nur als Direktansaughöhe
einer Pumpe zu verstehen, denn indirekt sind dem Ansaugen flüssiger Medien keine
Grenzen gesetzt, d.h. es ist Jederzeit möglich, beispielsweise Wasser vom Rhein
bis in den Glockenstuhl des Kölner Doms anzusaugen. Das Scheitern bisheriger Anstrengungen,
die 10 m-Marke zu überwinden, lag primär an der Ansaugeinrichtung in sekundärer
Abhängigkeit von wirkungs- und leistungsstarken Pumpen.
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Pumpen mit einem besonderen Wirkungsgrad sind beispielsweise aus
der DT-PS 855 945 und aus der DT-OS 1 553 031 bekannt. Dierstgenannte Patentschrift
betrifft eine Umlaufpumpe, einen Verdichter oder dergleichen mit in einem Pumpen-,
Verdichtergehäuse usw. gelagerten, paarweise miteinander und mit der Wandung des
Gehäuses zusammenwirkenden Läufern und ist dadurch gekennzeichnet, daß Jeder Läufer
aus einer Scheibe oder dergleichen mit im großen und ganzen spiralförmig verlaufendem
Umkreis besteht, und daß die genannten Läufer, die in Hohlräumen mit kreisrundem
Schnittprofil umlaufen, teils mit
einem oder mehreren Absätzen,
die einen Übergang zwischen verschiedenen, die Spiralsteigung bestimmenden Radialabständen
bilden, teils mit einem oder mehreren sich den entsprechenden Wänden der Hohlräume
anschließenden oder im wesentlichen anschließenden, im Profil kreisrunden Abschnitten
versehen sind. Aus der DT-OS 1 553 031 ist eine Drehkolbenpumpe zum Fördern zähflüssiger
Medien, nämlich hochviskoser Flüssigkeiten und Suspensionen mit korrosiven Eigenschaften,
mit zwei zwangsläufig in entgegengesetztem Drehsinn in einem ovalen Gehäuse mit
Ansaug- und Druckstutzen von zwei parallel und im Abstand voneinander angeordneten
Antriebswellen angetriebenen Drehkolben, deren die Innenwand des Gehäuses unter
Flächenberührung bestreichende Verdrängerflügel so zueinander angeordnet sind, daß
jeweils der Verdrängerflügel des einen Drehkolbens als Trennflügel für den anderen
Drehkolben wirksam wird, bekannt, die dadurch gekennzeichnet ist, daß das Gehäuse
auf seiner Innenseite mit einer Emailschicht versehen ist, und auf den als Kolbenherzen
der Drehkolben dienenden Antriebswellen Je ein Verdrängerflügel aus korrosionsfestem
und abriebfestem Kunststoff drehfest gelagert ist, und daß die Arbeitsflanken der
im Querschnitt annähernd halbkreisförmigen Verdrängerflügel als im Querschnitt S-förmige
Abwälzkurven ausgebildet sind, die mit einer stegen Kurve in die äußere Mantelfläche
übergehen, beispielsweise tangential in das Kolbenherz einmünden.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Pumpvorrichtung
zum Hochansaugen mit einem besonders hohen technischen und wirtschaftlichen Wirkungsgrad
zu schaffen, mit der Jedes Medium höher angesaugt werden kann, als es normalerweise
im Direktansaugen mit einer Pumpe möglich ist.
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Die Lösung dieser Aufgabe wird durch die technische Lehre vermittelt,
daß die Vorrichtung aus einer Einzahnschlupf zahnradpumpe besteht, die mit einer
Steuerschieberein
richtung mit einem Atmosphärenschlauch und einem
Ansaugschlauch kombiniert ist. Die Pumpe ist mit Einzahnschlupfzahnrädern oder Rotoren
ausgestattet, die jeweils aus zwei Elementarteilen, nämlich der Fußkreisscheibe
und der Zahnschale bestehen und die zur Verminderung der Druckpulsation Teilzahnflanken
besitzen und zusätzlich am Übergang von der Fußkreisscheibe zu den Zahnflanken,
von der Teilzahnflanke zum Zahnflankenabsatz, sowie vom Kopfkreisdurchmesser des
Rotors zu den Zahnflankenabsätzen mit Kurven versehen sind, wobei die Einzahnschlupfzahnräder
oder Rotoren auf zentrisch laufenden, in Präzisionslagern gelagerten Wellen fest
aufgesetzt und von einem pfeilverzahnten Zahnradpaar so gesteuert sind, daß die
auf der Welle ausgerichteten Rotoren in den sich überschneidenden Zylindern des
Zylindergehäuses, bedingt durch die kreiskeilförmigen Druckausgleichstaschen an
der Zylinderwandung des Zylindergehäuses , im Zylindergehäuse fast schwimmend rotieren,
und daß die Einzahnschlupfzahnräder so ineinandergreifen, daß sich die Teilzahnflanken
und Kurven abwälzen, wobei sich die Kopfkreis- und Fußkreisflächen mit Schlupf spielfrei
kämmen, Jedoch das Gleitspiel zwischen der Kopfkreisfläche der Rotoren und der Zylinderwand
winkelgeschwindigkeitsabhängig ist. An den sich Uberschneidenden Zylindern des Zylindergehäuses
befinden sich kreiskeilförmige Druckausgleichstaschen, in die das Medium bei Rotation
der Rotoren, bedingt durch die Adhäsion der Moleküle von der Kopfkreisfläche der
Rotoren in diese sich verjüngenden Taschen mitgerissen wird und dadurch einen Uber-
oder Ausgleichsdruck erzeugt, welcher mit dem Förderdruck in Wechselbeziehung steht.
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Die Einzahnschlupf zahnräder bestehen aus einer Fußkreisscheibe und
einer sich über 1800 erstreckenden Zahnschale, die auf die Fußkreisscheibe aufgeschraubt,
verstiftet und Uberschliffen ist, so daß der Fußkreis- und der Kopfkreisdurchmesser
zueinander rundlaufen. Die Fußkreisscheiben besitzen an den Planseiten kreiskeilartige
Taschen. FUr das Rotorpaar sind im Pumpengehäuse nur ein Ansaugkanal, Jedoch zwei
Förderkanäle
vorgesehen und die Versteifungswand im Innern des
Gehäuses ist mit letzterem verstiftet und zusätzlich mit Versteifungsbrücken versehen.
Die miteinander kombinierten Einzahnschlupfzahnräder sind auf der Welle paarweise
so angebracht, daß sich die Unwucht der Rotoren aufhebt. Die Rotoren sowie die Zylinderwandung
sind zur Korrosionsverhinderung oberflächenbeschichtet. Die Steuereinrichtung besteht
aus einem Steuerkolben in einem Steuergehäuse und steht über die Ansaugleitung mit
der Pumpe und mit einer zweiten Leitung mit der Atmosphäre in Verbindung. Die Verbindung
zwischen Atmosphärenschlauch und Ansaugschlauch erfolgt durch axiale Längsverschiebung
oder durch Drehung des Steuerkolbens im Steuergehäuse.
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Eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird anhand
der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben.
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Fig. 1 zeigt schematisch die Pumpvorrichtung zum Hochansaugen, eingebaut
in einen blank zum Absaugen des am Boden befindlichen Wassers. Dabei ist eine Saughöhe
von mehr als 15 m zu überwinden. Die Ansaugpumpe 1, angetrieben von einem Motor
la saugt das Wasser über die Steuereinrichtung 2 in den Ansaugschlauch 3a an. Durch
das Umsteuern des Steuerkolbens 2b im Steuergehäuse 2a wird der Ansaugfluß des Wassers
vom Steuerkolben 2b unterbunden und zugiich eine Durchflußverbindung vom Ansaugschlauch
3a zum Atmosphärenschlauch3 freigegeben. Da nun die Saugkraft der Pumpe größer als
die Schwerkraft des Wassers im Ansaugschlauch 3a ist, ist die Pumpe in der Lage,
das sich im Ansaugschlauch befindliche Wasser bis zu jeglicher Höhe hochzusaugen.
Hat das Wasser die Pumpe passiert, wird der Steuerkolben 2b, beispielsweise durch
einen Elektromagneten geschaltet, der in periodischen Intervallen mal auf Ansaugen
und mal auf Hochsaugen schaltet. Der Steuerkolben 2b kann mechanisch, hydraulisch,
pneumatisch, elektronisch, elektromagnetisch oder in kombinierter Form der erwähnten
Steuerarten betätigt werden.
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Die Figuren 2 und 2a sowie (2) und (2a) stellen die Steuereinrichtung
2 dar, in deren Gehäuse 2a sich der Steuerkolben 2b bewegt und abwechselnd den Durchfluß
von unten 3b zum Ansaugschlauch 3a bzw. vom Atmosphärenschlauch 3 zum Ansaugschlauch
3a freigibt.
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Fig. 3 zeigt die Pumpe im Längsschnitt gesehen mit den Wellen 8,
auf denen sich die pfeilverzahnten Zahnräder 9 zur Steuerung der Rotoren 4 befinden.
Die Kreiskeiltaschen an den Rotoren sind mit 14 bezeichnet. Das Pumpengehäuse ist
durch eine Versteifungswand 17 mit Versteifungsbrücken 19 verstärkt.
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Fig. 4 zeigt schmatisch im Querschnitt eine als Einzahnschlupfzahnradpumpe
ausgebildete Pumpe zum Ansaugen des Mediums durch den Ansaugschlauch 3a. Die Pumpe
besteht aus Einzahnschlupfzahnräder oder Rotoren 4, die zweckmäßig aus zwei Teilen,
nämlich der Fußkreisscheibe 5 und der Zahnschale 6 gefertigt sind. Die Schlupf zahnräder
4 besitzen zur Verminderung der Druckpulsation Teilzahnflanken 7 mit Zahnflankenabsätzen
7a mit entsprechenden Krümmungen, um ein sattes und vollständiges Ineinandergreifen
im Betrieb zu gewährleisten.
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Die Einzahnschlupfzahnräder oder Rotoren 4 sind mit zentrisch laufenden,
in Präzisionslagern gelagerten Wellen 8 fest verbunden und werden von einem pfeilverzahnten
Zahnradpaar 9 so gesteuert, daß die auf der Welle 8 ausgewuchteten Rotoren 4 in
den sich überschneidenden Zylindern des Zylindergehäuses 10, bedingt durch die Druckausgleichstaschen
11 im Zylindergehäuse 10, fast schwimmend rotieren und daß die Einzahnschlupfzahnräder
4 so ineinandergreifen, daß sich die Teilzahnflanken 7mit ihren Kurven abwälzen,
wobei sich die Kopfkreis- und Fußkreisrlächen mit Schlupf spielfrei kämmen.
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Erst durch die Maßnahme, das Einzahnschlupfzahnrad 4 zweiteilig auszubilden,
indem zuerst die Fußkreisscheibe 5 und anschließend die Zahnschale 6 gefertigt werden,
welche um die halbe Fußkreisscheibe reicht, auf dieser verschraubt und
verstiftet
und in der Bohrung aufgenommen ist, wobei die Kopfkreisfläche geschliffen ist, wird
erreicht, daß der Fußkreis- und der Kopfkreisumfang der Rotoren zueinander schlagfrei
rundlaufen.
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Auch dem Förderumfangswandbereich, an dem die Kopfkreisflächen der
Rotoren die Wände dichtend fast berhhren, wobei die Zylinderwandungen zusätzlich
mit Druckausgleichstaschen ausgestattet sind, den Förderkanälen 16, sowie der Versteifung
des Zylindergehäuses 10 wurde eine besondere Bedeutung beigemessen.
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Bei der RotaSbn der Rotoren 4 werden, bedingt durch die Adhäsion
der Moleküle strömender Medien, diese von den Kopfkreisflächen der Rotoren 4 in
die sich verJUngenden kreiskeilförmigen Taschen 11 mitgerissen, erzeugen dadurch
einen Überdruck 13, welcher sich bei der Pumpe sowie beim llydromotor positiv auswirkt,
weil dieser dem Förderdruck 12 entgegenwirkt und einen Druckausgleich herstellt,
so daß die Rotoren 4 lagerentlastend innerhalb des Zylindergehäuses 10 im Medium
fast schwimmend zu rotieren vermögen. Das Gleit-oder Laufspiel zwischen den Kopfkreisflächen
der Rotoren und der Zylinderwand ist relativ, d.h. dieses Spiel ist drehzahl- bzw.
winkelgeschwindigkeitsabhängig. Steigt nun der Förderdruck 12, so steigt zwangsläufig
auch der Ausgleichsdruck 13, denn Förderdruck und Ausgleichsdruck stehen zueinander
in Wechselbeziehung. Der Förderdruck hat das Bestreben die Kopfkreisfläche der Rotoren
an die Zylinderwand zu pressen, wobei sich die von den Rotoren mitgerissenen Moleküle
aufgrund des verkleinerten Spiels umsomehr dem Förderdruck entgegenstemmen und somit
einen variablen Druckausgleich bewirken.
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Die hohe-rektsaugwirkung von Uber 9 m Wassersäule dieser Pumpe ist
auf die gesehilderten Merkmale zuriickzuffhren.
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Die Pumpe kann auch als Hydromotor verwendet werden. Wie allgemein
bekannt ist, sind Ilydromotoren praktisch als Pumpen anzusehen, deren Rotoren durch
die umlaufende AntriebsflUssigkeit
in Drehung versetzt werden,
während bei Pumpen die Flüssigkeit durch die Bewegung der Rotoren bewegt wird.
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Auf diese Weise kann beispielsweise aus einem gefüllten Oeltank,
in welchen bei einem Unwetter Wasser über den Entliiftungsstutzen in das Tankinnere
gedrungen ist, nur das Wasser herausgesaugt werden. Der Höhenunterschied der Pumpe
zum Wasser liegt über der Direktsaugwirkung der Pumpe. Bisher ein unüberbrückbares
Unterfangen, welches erfindungsgemäß mit einer Pumpe und der Ansaugeinrichtung bewältigt
werden kann.
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Durch die vorgesehene Schachtdeckelöffnung über dem Olbehälter wird
die Steuerschiebereinrichtung 2 bis auf den Tankgrund herabgelassen. Die Ansaugpumpe,
angetrieben von dem Motor, saugt das Wasser über den Steuerschieber in den Ansaugsch2auch
an. Durch das Umsteuern des Steuerkolbens im Steuergehäuse wird der Ansaugfluß des
Wassers vom Steuerkolben unterbunden und zugleich eine Durchflußverbindung vom Ansaugschlauch
zum Atmosphärenschlauch freigegeben. Da nun die Saugkraft der Pumpe größer als die
Schwerkraft des Wassers im Ansaugschlauch ist, ist die Pumpe in der Lage, das sich
im Ansaugschlauch befindliche Wasser bis zu Jeglicher Höhe hochzusagen. Hat das
Wasser die Pumpe passiert, wird der Steuerkolben, beispelsweise mit einem Elektromagneten,
umgeschaltet, wobei er in periodischen Intervallen mal auf Ansaugen und mal auf
Hochsaugen schaltet.