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Gehäuse für Kolbenpumpen. Gegenstand der Erfindung ist eine Kolbenpumpe,
bei welcher das Pumpengehäuse eine besondere Ausbildung erfahren hat. Die zwischeh
Sauge- und Druckventil im Pumpeninnern eingeschlossene Flüssigkeit wird infolge
dieser Ausbildung der Ventilgehäuse und der nach dem Pumpenraum führenden Kanäle
durch die Kolbenbewegung in annähernd gleichmäßig kreisende Bewegung versetzt und
in solcher erhalten, so daß sie beim Hubwechsel nicht beschleunigt oder verzögert
wird, sondern nur so viel Beschleunigung erhält, als sie durch die Strömungswiderstände
an Geschwindigkeit verliert. Die bei allen Kolbenstellungen während des Arbeitens
gleichmäßig kreisenden Flüssigkeitsmassen haben eine ähnliche ausgleichende Wirkung
wie die Schwungräder bei Kolbenkraftmaschinen und tragen wesentlich zur Erzielung
eines stoßfreien Arbeitens der Kolbenpumpe wie auch zur Erhöhung der Kolbengeschwindigkeit,
d. i. Erhölung der Förderleistung, bei.
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An Hand der Zeichnungen wird die Entstehung des Erfindungsgedankens
und die Wirkungsweise der neuen Kolbenpumpe erklärt. In Fig. 1 ist eine Kolbenpumpe
der bisher üblichen Bauart mit getrenntem Saug- und Druckventilgehäuse, in Fig.
2 eine solche mit gemeinsamem Gehäuse für Sauge- und Druckventil schematisch dargestellt.
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Bei der Ausführung nach Fig. 1 wird bekanntlich die im Saugventilgehäuse
a, dem Kanal b und im Pumpenraum c befindliche Flüssigkeitssäule während des Saughubes
in der durch die eingezeichneten Pfeile angegebenen Richtung aus dem Ruhezustand
in den Zustand der Bewegung und von diesem wieder in den Zustand der Ruhe versetzt;
dieselbe Beschleunigung und Verzögerung wird beim Druckhube auch der im Pumpenraum
c, dem Kanal d und dem Druckventilgehäuse c befindlichen Flüssigkeitssäule erteilt.
Die bei jedem Hubwechsel auftretenden Gesci_windigkcits- und Richtungsänderungen
erzeugen bei größerer Kolbengeschwindigkeit außer den auf Kolben und Ventile nachteilig
wirkenden Stößen Strömungswiderstände, welc'_-e den Nutzeffekt der Pumpe verschlechtern
und nur verhältnismäßig geringe Kolbengeschwindigkeiten zulassen.
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Bei der Ausführung nach Fig. 2 wird z«@adurch die Vereinigung der
Sauge- und Drac kventilgehäuse in einem gemeinsamen Ge'_äuse f und der Zu- und Ableitungskanäle
in einem gemeinsamen Kanal g die zu besch.'eunigende Flüssigkeitsmasse verringert,
doch sind die Strömungswiderstände und Beschleunigungsdrücke auch bei dieser Ausführung
noch @o bedeutend, daß eine Verbesserung des Nutzeffekts und eine erhebliche Steigei
ung der Kolbengeschwindigkeit nicht erreicht werden.
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Um die nachteiligen Beschleunigungsdrucke und Strömungswiderstände
zu verringern, sind bei dem Erfindungsgegenstand der Pumpenraurn mit den Ventilgehäusen
und letztere miteinander durch Kanäle derart verbunden, ferner sind die Ventilgehäuse
im Innern derart ausgebildet, daß die durch den Sauge- und
Druckhub
beschleunigte Flüssigkeit bei allen Kolbenstellungen in einem ununterbrochenen Kreislauf
durch den zwischen Sauge- und Druckventil eingeschlossenen Raum strömt, und zwar
stets vom Saugventilgehäuse nach dem Pumpenraum, von diesem zum Druckventilgehäuse,
von letzterem wiederum zum Saugventilgehäuse usf.
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In Fig. 3 und 5 ist eine Ausführungsform der neuen Kolbenpumpe mit
getrennten Ventilgehäusen schematisch dargestellt; Fig. 3 zeigt den Horizontalschnitt
durch den Pumpenraum c, die Ventilgehäuse a und b und die Verbindungskanäle
b, d und h; in Fig. 5 ist der Vertikalschnitt durch die Ventilgehäuse mit Windkesseln
und durch die Verbindungskanäle gezeichnet. Fig. 4 und 6 stellen eine andere Ausführung
dar, bei welcher unter Fortfall des Verbindungskanals h die Abschlußorgane in einem
gemeinsamen Gehäus e f übereinander angeordnet und statt der Ventile Klappen vorgesehen
sind. Die Wirkungsweise ist die gleiche wie diejenige der in Fig. 3 und 5 gezeichneten
Pumpe; in der Beschreibung wird deshalb nur auf diese Bezug genommen.
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Der Strömungsverlauf, der durch die eingezeichneten Pfeile angedeutet
ist, ist folgender. Nachdem der Beharrungszustand engetreten ist, wird die infolge
des Saughubes des Kolbens durch das Saugventil in das Saugventilgehäuse a eintretende
Flüssigkeit durch die zungenartige, den Saugventilraum vom Verbindungskanal h trennende
Scheidewand i gezwungen, nur in der durch den Pfeilzug angegebenen Richtung durch
Kanal b nach dem Pumpenraum c zu strömen. Beim Stillstand des Kolbens in der oberen
Totlage strömt die Flüssigkeit infolge der ihr erteilten Beschleunigung in der einmal
eingeschlagenen Richtung weiter, also in den Kanal d hinein, an die dort befindliche
Flüssigkeitsmasse einen Teil ihrer Strömungsenergie abgebend. Durch den Druckhub
des Kolbens wird die Flüssigkeit in gleicher Weise gezwungen, vom Pumpenraum c aus
durch Kanal d nach dem Druckventilgehäuse e zu strömen, von wo aus ein Teil durch
das geöffnete Druckventil und durch den Druckwindkessel k in die Druckleitung l
fließt, während der übrige Teil durch den Verbindungskanal lt und das Saugventilgehäuse
a wieder in den Kanal b zurückgelangt, wobei beim nächsten Hub das Spiel sich wiederholt.
Die Flüssigkeit vollführt also einen vollständigen Kreislauf innerhalb der Pumpe.
Wird der Pumpenkolben in irgendeiner Stellung angehalten, so strömt die. Flüssigkeit
dennoch in der in Fig. 3 durch den Pfeilzug angegebenen Richtung weiter, so lange,
bis die ihrer Masse erteilte Strömungsenergie durch Wirbel und Reibung aufgezehrt
ist. Wird die Pumpe wieder in Gang gesetzt, bevor die Strömungsgeschwindigkeit sich
erheblich verringert hat, so hat der Pumpenkolben nur so viel Beschleunigüngsdruck
zu erzeugen, als die Flüssigkeit an Geschwindig; keit verloren hat. Es liegt deshalb
auf der Hand, daß diese Kolbenpumpe um so stoßfreier arbeitet, je schneller die
Hubwechsel aufeinander folgen, und daß bei gleicher Förderleistung ihre Abmessungen
kleiner ausfallen als bei Kolbenpumpen der bisherigen Bauart.
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Die vorbeschriebenen Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes
lassen finde ssen das angestrebte Ziel, die größtmögliche Verringerung der Beschleunigungsdrucke
und Strömungswiderstände, nur unvollkommen erreichen, weil die in den Ventilgehäusen,
im Pumpenzylinder und in den Windkesseln befindlichen Flüssigkeitsmassen an der
kreisenden Bewegung nicht teilnehmen können und bei jedem Hubwechsel beschleunigt
und verzögert werden müssen. Nachteilig ist ferner die ungünstige Führung der Flüssigkeit
in diesen Teilen. Beim Strömen durch die Ventilgehäuse und aus den Verbindungskanälen
in den Pumpenzylinder bzw. aus letzterem in die Kanäle wird die Flüssigkeit aus
der radialen in die achsiale Richtung, übergeführt-bzw. umgekehrt. Schließen nun
die Kanäle b und d, wie üblich, radial an den Pumpenraum und die Ventilgehäuse an,
so müssen bei der Umlenkung des Flüssigkeitsstromes Wi bA entstehen, welche besonders
im Pumpenrcum störend wirken, wo die Flüssigkeit wäh-end der Bewegungen des Kolbens
sowohl durch den Pumpenraum hindurch als auch g:eichzeitig in den Pumpenzylinc?er
hinein bzw. aus diesem herausströmen muß.
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Eine Flüssigkeit_ kann aber nur dann wirf elfrei aus der radiaen
in die achsia'.e Richtung strömen, wenn sie gleichzeitig einer kreisenden Bewegung
unterworfen ist. Um im vorliegenden Fäll die Flüssigkeit in kreisende Bewegung zu
versetzen und wirbelfrei aus dieser in die geradlinige Strömung in den Verbindungskanälen
überzuführen, müssen letztere tangential und spiralförmig an den Pumpenraum und
an die Ventilgehäuse anschließen.. -Bei der in Fig. 7 und 8, bei welcher Fig. 8
den Schnitt I-I durch Fig. 7 darstellt, gezeichneten Ausführungsfarm sind der Pumpenraum,
die Ventilgehäuse und die Windkessel in der vorbeschriebenen Art ausgebildet.
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Wie die folgende Erklärung des Strömungsverlaufes zeigt, ist die kreisende
Bewegung innerhalb der ganzen Pumpe, die Windkessel einbegriffen:, vollständig und
wirbelfrei, und .
die durch die Kolbenbewegungen erzeugte Strömungsgeschwindigkeit
erleidet allein durch die Reibung an den Wandungen eine unvermeidliche Störung.
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Der Strömungsverlauf bei dieser Ausfürrungsform ist folgender. Die
durch den Zulaufstutzen m eintretende Flüssigkeit wird durch die spiralförmige Gestalt
des unteren Teils n des Saugwindkessels in kreisende Bewegung versetzt, welche sich
bis in die oberen Schichten der im Außenraum o während des Druckhubes steigenden
Flüssigkeit fortsetzt. Ebenso kreist die im Saugrohr p befindliche Flüssigkeitssäule
um ihre Achse. Wird nun während des Saughubes des Kolbens die im Saugrohr p befindliche
Flüssigkeitssäule durch das Saugventil q hindurch angesaugt, so muß zwar die im
Außenraum o des Windkessels befindliche Flüssigkeit in senkrechter Richtung nach
unten und die im Saugrohr p befindliche nach oben beschleunigt werden, aber diese
Beschleunigungen dienen nur zur Erzeugung von Komponenten der absoluten Geschwindigkeit
der bereits in Bewegung befindlichen Flüssigkeit in diesen Räumen. Die absolute
Bewegung eines jeden Flüssigkeitsteilchens in den zylindrischen Teilen des Windkessels
geht hierbei aus der kreisförmigen in eine schraubenförmige Bahn über. Dieser Übergang
erfolgt allmählich und ohne Stoß, da die absolute Geschwindigkeit eines Flüssigkeitsteilchens
hinsichtlich ihrer Größe eine nennenswerte Änderung nicht erfährt.
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Abgesehen vom Ventilwiderstand, der durch zwangläufige Ventilsteuerung
aufgehoben werden kann, tritt demnach die Flüssigkeit stoßfrei aus dem Saugrohr
P durch das geöffnete Saugventil q in die untere Hälfte a des Ventilgehäuses
über. Da dieses ebenfalls spiralförmig mit gleichem Drehsinn wie der untere Teil
n des Saugwindkessels ausgebildet ist, so wird die Flüssigkeit aus der kreisenden
Bewegung im Saugrohr und im Ventilsitz wirbelfrei in die geradlinige Strömung im
Verbindungsstutzen b übergeführt und nach dem Pumpenraum geleitet, wo sie infolge
der spiralförmigen Ausbildung der tangential anschließenden Kanäle b und d ebenfalls
in kreisende Bewegung versetzt wird, so daß sie aus dem Raum y in schraubenförmigen
Bahnen wirbelfrei in den Raum e überströmt und von hier aus wiederum wirbelfrei
durch den Kanal @ nach dem Druckventil geleitet wird.
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Die Flüssigkeitssäule im Pumpenzylinder t kreist in den Totlagen des
Kolbens um ihre Achse und geht bei der Auf- und Abbewegung desselben, wie zuvor
die Flüssigkeitssäulen im Saugrohr p und im Außenraum o des Saugwindkessels, wirbelfrei
in schraubenförmige Bahnen über. Der gleiche Strömungsvorgang wiederholt sich in
den Spiralen a und e des Ventilgehäuses, indem während des Druckhubes des
Kolbens ein Teil der Flüssigkeit. in schraubenförmiger Bahn durch das geöffnete
Druckventil u und die Spirale v des D:ruckwindkessels durch den Austrittsstutzen
w in die Druckleitung strömt, während der übrige Teil in schraubenförmiger Bahn
aus der Spirale e in die Spirale a übertritt und durch den Kanal b wieder zum Pumpenraum
strörnt. Leim Saughub des Kolbens sich mit der aus dem Saugrohr p angesaugten Flüssigkeit
vereinend. In den Totlagen des Kolbens, also auch, wenn der Kolben für kurze Zeit
angehalten wird, strömt die Flüssigkeit, w:e bei den Ausführungsformen gemäß Fig,
3 und 5 bzw. q. und 6, in einem ununterbrochenen Kreislauf vom Saugventilraum zum
Pumpenraum, von diesem zum Druckventilraum, von letzterem wieder zum Saugventilraum
zurück usf. In allen Stellungen des Kolbens strömt demnach bei dieser Ausführungsform
inner-I- alb der ganzen Pumpe, vom Saugstutzen m bis zum Druckstutzen w gerechnet,
die Flüssigkeit wirbel- und stoßfrei aus einem Teil der Pumpe in den anderen über,
so daß, da infolge der bekannten Wirkung der Windkessel auch in der Sauge- und Druckleitung
die Flüssigkeit mit annähernd gleichmäßiger Geschwindigkeit strömt, eine gleichmäßige
Förderung vom Unterwasserspiegel bis zum Oberwasserspiegel erzielt wird.
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Die durch die neue Kolbenpumpe, besonders in der Ausführung nach Fig.
7 und 8, angestrebten Vorteile sind in erster Linie hydrodynamische; ein vollständig
stoßfreies Arbeiten in mechanischem Sinne kann auch mit dieser Pumpe nicht erzielt
werden, weil die im Pumpenraume unmittelbar unter dem Kolben befindliche Flüssigkeitssäule
in Richtung der Kolbenbewegung abwechselnd beschleunigt und verzögert werden muß
; die hierbei dieser Flüssigkeitssäule erteilten Beschleunigungen dienen aber, wie
bereits ausgeführt, nur zur Erzeugung von Komponenten der absoluten Geschwindigkeit
der in diesem Raume bereits in Bewegung, und zwar in nahezu gleichmäßig kreisender
Bewegung, befindlichen Flüssigkeit. Es steht deshalb zu erwarten, daß bei nicht
zu großer Kolbengeschwindigkeit diese Flüssigkeitssäule ohne erheblichen Stoß der
Kolbenbewegung in den Umkehrpunkten sich entschließen wird.