DE3018711C2 - Axialkolbenpumpe - Google Patents

Description

Weitere Vorteile und Einzelheiten werden im folgenden unter Hinweis auf die Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert Es zeigt

F i g. 1. einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform einer Axialkolbenpumpe nach der Erfindung;

F i g. 2 eine Draufsicht auf das Laufrad der Axialkolbenpumpe nach F i g. 1;

F i g. 3 eine Seitenansicht des Laufrades der F i g. 2;
. F i g. 4 einen Schnitt durch den das Laufrad aufnehmenden Deckel des Gehäuses der Axialkolbenpumpe nach F i g. 1;

Fig.5 eine Abwicklung des Sammlers entlang des Laufradumfangs einschließlich eines Vektordiagramms der Strömungsmittelgeschwindigkeit im Bereich des Einlaßschlitzes, und zwar im vergrößerten Maßstab;

F i g. 6 einen Schnitt gemäß der Linie 6-6 der F i g. 5;

F i g. 7 einen Schnitt gemäß der Linie 7-7 der F i g. 5; und

F i g. 8 eine graphische Darstellung zur Veranschaulichung des Eintrittsdrucks einer bekannten Axialkolbenpumpe und einer Pumpe nach der Erfindung.

In Verbindung mit Fig. 1 wird eine Axialkcibenpumpe gezeigt, die ein Gehäuse 11 besitzt, welches einen mittleren Teil IZ einen Deckel 13 an einem Ende und einen die Öffnungen enthaltenden Deckel 14 am anderen Ende besitzt, die insgesamt durch Bolzen 15 befestigt sind.

Das Gehäuse ! 1 besitzt einen Hohlraum 16, der die Kolbentrommel 17 aufnimmt, die auf Rollen 18 eines Lagers 19 gelagert ist das einen äußeren Laufkranz 20 besitzt, die gegen eine Gehäuseschulter 21 drückt Eine Antriebswelle 22 ist drehbar in einer Lagerung 23 gelagert, die in einer Bohrung 24 in dem Deckel 13 befestigt ist Das innere verzahnte Ende 25 der Antriebswelle 22 steht mit einer entsprechend verzahnten Buchse 26 in Eingriff, die in eine mittige Bohrung 27 der Kolbentrommel 17 gedrückt ist

Die Kolbentrommel 17 besitzt eine Vielzahl paralleler Bohrungen 28, die gleichmäßig beabstandet um ihre Rotationsachsen umfangsmäßig angeordnet sind. Jede Bohrung 28 enthält einen Kolben 29. Jeder Kolben 29 besitzt einen kugelförmigen Kopf 30, der in einer Fassung 31 eines Gleitschuhs 32 aufgenommen ist.

Jeder Gleitschuh wird gegen eine flache Schrägscheibe 33 gedrückt die auf einem verstellbaren Ring 34 durch eine Halterung 35 befestigt ist. Die Halterung 35 umfaßt eine Andrückplatte 36 mit einer Anzahl gleichmäßig beabstandeter Bohrungen, entsprechend der Anzahl der Kolben 29, die über jedem Kolben liegt und mit einer Schulter 37 auf jedem Gleitschuh 32 in Eingriff steht. Eine Hülse 38 läuft durch eine mittige Bohrung 39 in der Andrückplatte 36 und durch eine mittige Bohrung 40 im Ring 34. Das Ende 41 der Hülse 38 steht mit einer auf dem Ring 34 ausgebildeten Schulter 42 in Eingriff. Das Ende 43 der Hülse 38 ist mit einem Gewinde versehen und nimmt eine Mutter 44 auf, die die Andrückplatte 36 und die Schrägscheibe 33 gegen den Ring 34 drückt.

Der Ring 34 ist um eine Achse senkrecht zur Antriebswelle 22 in einem Lagerpaar 45,45' drehbar. Diese verändert den Neigungswinkel der Schrägscheibe 33 und beeinflußt dadurch außerdem den Hub der Kolben 29.

Jede Zylinderbohrung 28 endet in einer Zylinderöffnung 46. die das Strömungsmittel durch eine Steuerscheibe 47 leitet. Die Steuerscheibe 47 ist dabei zwischen der KolbentrommcJ 17 und dem Deckel 14 angeordnet. In Verbindung mit den Fig.5 bis 7 wird ein Einlaßschlitz 48 und ein Auslaßschlitz 49 gezeigt die beide in der Steuerscheibe 47 ausgebildet sind. Diese Öffnungen kommunizieren mit den Einlaß- und Auslaßkanälen 50 bzw. 51, die in dem Deckel 14 ausgebildet sind, wie aus den F i g. 1 und 4 ersichtlich ist

Die Drehung der Antriebswelle 22, welche die Drehung der Kolbentrommel 17 bewirkt, erfolgt durch einen nicht gezeigten Motor. Wenn die Schrägscheibe 33 aus einer neutralen Stellung heraus geneigt ist d.h.

ίο senkrecht zur Achse der Welle 22, bewegen sich die Kolben 29 hin und her, während die Gleitschuhe über die Schrägscheibe 33 gleiten. Wenn sich die Koiben 29 von der Steuerscheibe 47 wegbewegen, tritt Strömungsmittel von dem Einlaßschlitz 48 in die Zylinderbohrungen 28 ein. Wenn sich die Kolben auf die Steuerscheibe 47 zu bewegen, drücken sie das Strömungsmittel in den Auslaßschlitz 49.

In Verbindung mit den F i g. 1 bis 3 wird ein Laufrad 52 gezeigt das in der erfindungsgemäßen Pumpe unmittelbar angrenzend an die Steuersche-fc-·: 47 gelagert ist Das Laufrad 52 umfaßt eine zylindrische Nabe 53, die aus der Rückseite eines Kranzes 54 herausragt Die Nabe 53 geht durch eine Öffnung 55 in der Steuerscheibe 47 hindurch, und das Nabenende 56 grenzt an eine HaI-terung 57 an. Die Halterung 57 ist mit der Buchse 26 durch Mitnehmer verbunden, die aus der Halterung 57 herausragen, und mit den Schlitzen in der Buchse 26 im Eingriff sind. Ein Bolzen 58 verbindet das Laufrad 52 mit der Halterung 57, wobei ein Stift 59 eine relative Bewegung zwischen den beiden Elementen verhindert.

Zehn gleichmäßig beabstandete Schaufeln 60 ragen seitlich und radial aus dem Kranz 54 heraus. Jede Schaufel 60 besitzt einen inneren Abschnitt 61 und einen äußeren Abschnitt 62. In Verbindung mit F i g. 2 wird gezeigt, daß die gewinkelte führende Kante des inneren Abschnittes 6130° von der Achse der Schaufeln 60 versetzt ist und daß die gewinkelte führende Kante des äußeren Abschnittes 6215° von der Achse versetzt ist. In Verbindung mit F i g. 3 wird gezeigt, wie das Außenende 63 des inneren Abschnittes 61 annähernd 53° von der Achse der Schaufeln 60 versetzt ist wobei das Außenende 64 des äußeren Abschnittes 62 annähernd 22° von der Achse versetzt ist
Es ist wichtig, daß die Querschnittsbereiche der Laufradabschnitte, d. h. die Räume zwischen den Schaufeln 60, konstant bleiben, so daß die Einlaß- oder Axialgeschwindigkeit des Strömungsmittels konstant bleibt, wenn Strömungsmittel durch das Laufrad strömt Beim erfindungsgemäßen Laufrad 52 ist der Vorderteil des Kranzes 54 konusförmig, wie aus F i g. 3 ersichtlich. Ein konstanter Querschnittsbereich zwischen den benachbarten Schaufeln 60 wird dabei trotz des konusförmigen Kran^f.s 54 aufrechterhalten, indem die Entfernung zwischen den benachbarten Schaufeln 60 von der Mitte des Laufrades zur äußfren Kante des Laufrades zunimmt. und indem die inneren Abschnitte 61 auf jeder Schaufel 60 weiter sind als die äußeren Abschnitte 62.

Der Zweck des Laufrades 52 liegt darin, dem Strömungsmittel in dem Einlaßkanal 50 eine zusätzliche

eo Energie zu verleihen, um dadurch eine Kavitation zu verhindern, wenn die Pumpe bei höheren Geschwindigkeiten betrieben wird, die normalerweise mit üblichen Pumpen möglich sind, wenn das Strömungsmittel im Einlaß nicht vorverdichtet wird. Das Laufrad 52 wirkt dabei mit einem Sammler 55 zusammen, der in dem Deckel 14 ausgebildet ist, um einen Strömungsmitteleintritt in den Einlaßschlitz 48 in der Steuerscheibe 47 zu schaffen, wobei die Tangentialgeschwindigkeit der Zy-

linderöffnungen 46 gleich ist. Dementsprechend muß das in den Einlaßkanal 50 in dem Deckel 14 eintretende Strömungsmittel nur ausreichend Energie besitzen, um eine Axialgeschwindigkeitskomponente zu erzeugen, die dazu ausreicht, das Strömungsmittel in die Zylinderbohrung 27 zu bewegen, während der Kolben über den Einlaßschlitz 48 hinwegläuft. Es hat sich herausgestellt, daß die Axialgeschwindigkeitskomponente wesentlich geringer ist als die Tangentialgeschwindigkeitskomponente.

In bezug zu den Fig.4 bis 7 wird gezeigt, daß der Sammler 65 aus einem Hohlraum besteht, der in dem Deckel 14 angrenzend an das Laufrad 52 auf der gegenüberliegenden Seite der Steuerscheibe 47 ausgebildet ist. Der Sammler 65 beginnt am Punkt P\ gerade über is bzw. jenseits des Einlaßschlitzes 48 in Richtung der Laufraddrehung und dehnt sich im Querschnittsbereich zu einem Maximum beim Punkt P₂ aus, der gerade gegenüber dem Eintritt des EinlaUschützes 4» Hegt. Der Ouerschnittsbereich des Sammlers 65 ist vom Punkt Pj ^um Punkt Pj in Richtung der Laufraddrehung konstant, wobei der Punkt am entgegengesetzten Ende liegt, wo der Einlaßschlitz 48 durch die Steuerscheibe 47 auf der Seite angrenzend an die Kolbentrommel 17 durchbricht Vom Punkt Pj zu einem Punkt P₄, der dem Mittelpunkt des Einlaßschlitzes 48 gegenüberliegt, nimmt der Querschnittsbereich des Sammlers 65 ab. Vom Punkt P₄ zum Punkt Pi in Richtung der Laufraddrehung ist kein Sammlerhohlraum vorgesehen. Dort ist lediglich ein ausreichendes Spiel für das Laufrad 52 gegeben, damit es sich entsprechend zum Deckel 14 drehen kann. Ebenfalls ist ausreichendes Spiel für das Laufrad 52 gegeben, damit es sich bezüglich zur Steuerscheibe 47 drehen kann.

Beim Betrieb bewegt sich das Strömungsmittel in dem Einlaßkanal 50 axial auf den Mittelpunkt des Laufrades 52 zu. Die inneren Abschnitte Sl auf den Schaufeln 60 neigen dann dazu, das Strömungsmittel in das Laufrad zu führen. Während das Strömungsmittel durch die Laufradabschnitte hindurchläuft, wird es in radialer Ric'-itung umgelenkt und erhält dabei eine zunehmende langentiale Geschwindigkeitskomponente. Diese Komponente liegt in der Richtung der Laufraddrehung. Aus den Laufradabschnitten, die an den Einlaßschlitzen 48 angrenzen, austretendes Strömungsmittel fließt direkt in derv Einlaßschlitz 48. Dieses geschieht zwischen den Punkten P₂ und P₄. Das aus dem Laufrad zwischen den Punkten P\ und P₂ in Richtung der Laufraddrehung austretende Strömungsmittel tritt in den Sammler 65 ein. Der sich vergrößernde Querschnittsbereich des Sammlers 65 zwischen den Punkten P₁ und P₂ ermöglicht es dabei, daß das Strömungsmittel zu jeder Zeit eine hohe Tangentialgeschwindigkeit aufrechterhält Dieses verringert Energieverluste, die dadurch verursacht werden, daß das Strömungsmittel gestoppt oder verlangsamt wird und anschließend wieder erneut beschleunigt werden muß.

F i g. 6 zeigt das aus dem Laufrad 52 austretende und in den Sammler 65 eintretende Strömungsmittel bevor der Sammler sich in den Einlaßschlitz 48 öffnet, d h. zwischen den Punkten P, und P₂. Aus den F i g. 5 und 7 ist ersichtlich, daß zwischen den Punkten P₂ und P₄ das Strömungsmittel vom Sammler 65 sich mit dem Strömungsmittel vermischt, das direkt vom Laufrad 52 strahlenförmig ausgestoßen wird, und tritt dann in den Einlaßschlitz 48 in der Steuerscheibe 47 ein. Das aus dem Sammler 65 austretende Strömungsmittel kommt mit den äußeren Abschnitten 62 des Laufrades 52 in Berührung, während es vom Sammler 65 in den Einlaßschlitz 48 fließt. Dieses führt dazu, daß die äußeren Abschnitte 62 dem Strömungsmittel zusätzliche Geschwindigkeit verleihen bevor es in den Einlaßschlitz 48 fließt. Ein Vektordiagramm der Geschwindigkeitskomponenten des in den Einlaßschlitz 48 eintretenden Strömungsmittels wird in Fig.5 gezeigt, angrenzend an den Einlaßschlitz 48. Die entstandene Geschwindigkeit ist die Kombination der Tangentialgeschwindigkeit, die dem Strömungsmittel durch das Laufrad 52 verliehen worden ist, und einer axialen Füllgeschwindigkeit, die durch den Druck des Strömungsmittels in dem Einlaßkanal 50 bewirkt wurde.

F i g. 8 zeigt eine graphische Darstellung, die die Beziehung von Eintrittsdruck und Fördermenge bei vcrschiedenen Pumpengeschwindigkeiten angibt. Es hat sich herausgestellt, daß bei einer üblichen Pumpe, d. h. ohne Laufrad und Sammler gemäß vorliegender Erfindung, der üiiriiiTiäic EirsisSdruck in dem Emlaßkanal 50 wesentlich gesteigert werden muß, wenn die Pumpengeschwindigkeit zunimmt, um eine Kavitation zu verhindern. Der Grund hierfür liegt darin, daß mehr Energie dem Strömungsmittel verliehen werden muß, damit es die Zylinderbohrungen zu einer Zeit füllt, zu der die Zylinderöffnungen 46 zum Einlaßschlitz 48 geöffnet sind. Bei Verwendung einer erfindungsgemäßen Pumpe mit Laufrad und Sammler hat sich jedoch herausgestellt, daß et* Pumpe zwischen minimaler und maximaler Geschwindigkeit bei einem absoluten Eintrittsdruck von etwa 0,42 Kp/cm² (6 psi) betrieben werden kann. Dieses verbessert die Wirksamkeit der Pumpe besonders und ermöglicht es insbesondere, eine Pumpe bei hohen Geschwindigkeiten einsetzen zu können, ohne daß das Strömungsmittel am Einlaß vorverdichtet werden muß.

Ein zusätzlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Laufrades und Sammlers liegt darin, daß wenig Zusatzkraft der Pumpe benötigt wird, um das Laufrad 52 anzutreiben, um zu der gewünschten resultierenden Geschwindigkeitskomponente des Strömungsmittels zu kommen. Die aufzuwendende Energie beträgt annähernd ein Viertel derjenigen, die benötigt wird, von einer üblichen Kreiselpumpe zur Vorverdichtung des Strömungsmittels.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1 2

schwindigkeit wird geringer. Tatsächlich hat eine VerPatentanspruch: größerung der tangentialen Geschwindigkeitskomponente des Strömungsmittels einen größeren Einfluß auf

Axialkolbenpumpe, auf deren Antriebswelle ein die Abnahme der Zeit, die gebraucht wird, um einen Kreiselpumpenlaufrad angebracht ist, das das For- 5 Zylinder zu füllen, als eine entsprechende Zunahme der dermi ttel auf der Saugseite durch eine Steuerscheibe axialen Geschwindigkeitskomponente,
in Zylinderbohrungen in der Kolbentrommel for- Es ist bekannt, zur Verringerung der Kavitation das in dert, wobei im Bereich des Kreiselpumpenrades ein den EinlaBschlitz strömende Strömungsmittel vorzuver-Sammler für das Fördermittel vorgesehen ist, da- dichten. Dieses wird dadurch erreicht, daß eine Hilfsdurchgekennzeichnet, 10 pumpe den Druck erhöht und dadurch die Energie des daß der Sammler (65) auf der der Steuerscheibe (47) Strömungsmitteis über das benötigte Minimum anhebt, gegenüberliegenden Seite des Laufrades (52) ausge- um sicherzustellen, daß die Zylinder möglichst bei allen bildet ist und sich in Drehrichtung des Laufrades (52) Pumpengeschwindigkeiten vollständig gefüllt werden, von einem Punkt (P 1) unmittelbar hinter dem Ein- Die Vorverdichtung des eintretenden Strömungsmittels laßschlitz (48) der Steuerscheibe (47) über einen we- 15 durch eine Hilfspumpe besitzt jedoch verschiedene sentlichen Teil des Laufradumfangs bis zu einem Nachteile. Eine Hilfspumpe erhöht die Kosten des hy-Punkt (P 4) am Anfang des Einlaßschlitzes (48) er- draulischen Systems und benötigt ebenfalls Raum, welstreckt und eher häufig sehr wertvoll ist. Ferner werden Hilfspumdaß sich das Volumen des Sammlers (65) in Dreh- pen üblicherweise eingesetzt, um den Druck des eintrerichtung^es Laufrades (52) vom Punkt (Pi) bis zu 20 tenden Strömungsmittels auf ein ausreichendes Niveau einem Punkt (P 2) am Anfang des Einiaßschiitzes zu erhöhen, und so die Zylinder bei maximaler Berriebs-(48) erweitert, dann bis zu einem Punkt (P3), der geschwindigkeit zu füllen. Da jedoch eine Pumpe nicht dem Durchbruch des Einlaßschlitzes (48) auf der Sei- immer bei ihrer Höchstgeschwindigkeit betrieben wird, te der Kolbentrommel (17) gegenüberliegt, konstant liefert die Hilfspumpe vorverdichtetes Strömungsmittel bleibt, und bis zu einem Punkt (PA) in der Mitte des 25 mit einem größeren Druck als er eigentlich für einen Einlaßschlitzes (48) abnimmt. Teil des Betriebsbereiches notwendig ist. Dieses bedeutet letztlich eine Energieverschwendung.

Eine Axialkolbenpumpe, die so aufgebaut ist, wie in

dem Oberbegriff des Patentanspruches definiert, ist aus 30 der US-PS 27 6S393 bekannt. Der dort vorgesehene

Die Erfindung betrifft eine Axialkolbenpumpe nach Sammler ist über eine Vielzahl von axial verlaufenden dem Oberbegriff des Patpntanspr-iches. Bohrungen mit der Kolbentrommel verbunden. Der Derartige Axialkolbenpjunpen sind mit Kolben ver- Sammler befindet sich am Außenumfang des Kreiselsehen, die parallel zur Antriebswe!'* liegen. Die Kolben- pumpenlaufrades, d. h. auf einem entsprechend größetrommel wird ebenso wie das Kreiselpumpenlaufrad 35 ren Durchmesser. Aufgabe dieses Sammlers bei der bedurch die Antriebswelle mitgenommen. Eine Andrück- kannten Axialkolbenpumpe ist es, die Geschwindigkeit platte drückt die Kolben über Gleitschuhe an eine des aus dem Kreiselpumpenlaufrad austretenden För-Schrägscheibe. Beim Drehen der Kolbentrommel füh- dermittels herabzusetzen, d. h. in Druck umzuwandeln,
ren die Kolben eine hin- und hergehende Bewegung aus. Demgegenüber liegt der Erfindo*^ die Aufgabe zu-Über Schlitze in einer Steuerscheibe ist der eine Teil der 40 gründe, eine Axialkolbenpumpe der eingangs genann-Kolben mit der Saugseite und der andere Teil mit der ten Art zu schaffen, die über den gesamten Betriebsbe-Druckseite verbunden. reich mit verhältnismäßig geringem Eintrittsdruck ar-Wenn die Umfangsgeschwindigkeit der Axialkolben- beitet, aber dennoch sicher das Auftreten von Kavitapumpe zunimmt, verringert sich die Zeit, während der tion verhindert.

die Zylinderöffnungen über dem Einlaßschlitz liegen. 45 Diese Aufgabe wird durch das Kennzeichen des pa-

Wenn die Zylinderbohrungen nicht vollständig mit Strö- tentanspruches gelöst.

mungsmittel gefüllt sind, nachdem sie den Einlaßschlitz Bei der Erfindung ist der sich an das Laufrad anschliepassiert haben, tritt Kavitation auf. Hierdurch entstehen ßende Sammler so angeordnet und gestaltet, daß die nachteilige Geräusche und Schwingungen. Ebenso tritt Geschwindigkeitskomponenten in ganz besonderer an den Metalloberflächen, über die das Strömungsmittel 50 Weise beeinflußt werden, ohne daß der Druck bei zuströmt, nachteilige Errosion auf. nehmender Drehzahl nennenswert erhöht wird. Dem Damit sich eine Zylinderbohrung möglichst vollsten- Fördermittel wird eine resultierende Geschwindigkeitsdig beim Passieren des Einlaßschlitzes füllen kann, muß komponente verliehen, die ausreicht, die Zylinderbohdas durch den Einlaßschlitz strömende Strömungsmittel rungen in der Kolbentrommel unter sämtlichen Beeine Geschwindigkeitskomponente in Richtung der Zy- 55 triebsbedingungen bei entsprechend geringem Eintrittslinderachse aufweisen. Diese Geschwindigkeitskompo- druck vollständig zn füllen. Im einzelnen geschieht dienente ist durch den Druck des in den Einlaßschlitz strö- ses dadurch, daß ein wesentlicher Anteil des Fördermiimenden Strömungsmittels bedingt. Außerdem ist es tels, das aus dem Sammler austritt, wieder in den Einwünschenswert, daß das in den Einlaßschlitz eintretende flußbereich des Laufrades gelangt, bevor es in die Zylin-Strömungsmittel eine tangentiale und eine axiale Korn- w derbohrungen strömt, Hierdurch wird die Tangentialgeponente besitzt, da sich die Zylinderöffnung tangential schwindigkeit des Fördermittels auf diejenige der Zylinrelativ zum Einlaßschlitz bewegt. Wenn das in den Ein- derbohrung beschleunigt. Das Fördermittel aus dem laßschlitz eintretende Strömungsmittel eine tangentiale Sammler, das in das Laufrad eintritt, trifft zusammen mit Geschwindigkeitskomponente aufweist, die im wesent- dem Fördermittel, das direkt aus dem Laufrad in die liehen der tangentialen Geschwindigkeit der Zylinder- 65 -Zylinderbohrung strömt, und diese zusammengeführten öffnung entspricht, wird die Zeit zum Füllen des Zylin- Fördermittelmengen treten in die Zylinderbohrung mit ders stark verringert und die Möglichkeit des Auftre- im wesentlichen der gleichen Tangentialgeschwindigtens von Kavitation auch bei erhöhter Pumpenge- keit ein, wie sie die Zylinderbohrungen aufweisen.