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Wegen der Nachteile der vorerwähnten Speicher bzw. Windkessel hat
man auch bereits nach abweichenden Bauprinzipien Pulsationsdämpfer geschaffen, die
in Fachkreisen auch »Resonatoren« genannt werden. Beispielsweise kennt man einen
Zweikammer-Resonator, bei dem eine größere Speicherkammer in Durchflußrichtung mit
Hilfe einer Trennwand in zwei kleinere Kammern unterteilt ist, die in Durchströmrichtung
durch ein Überströmrohr in Verbindung stehen. Bei einem solchen Zweikammer-Resonator
treten zusätzliche, durch die Trennwand hervorgerufene Turbulenzen
auf.
Bei einer etwas abgewandelten Ausführungsform eines Zweikammer-Resonators ist das
Überströmrohr gegenüber der Strömungsachse von Anschluß- und Austrittsflansch seitenversetzt
angeordnet. Dies erfordert nicht nur erhöhten Herstellungsaufwand, sondern man erhält
außerdem noch erhebliche zusätzliche Turbulenzen in der Strömung.
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Schließlich kennt man auch bereits einen Einkammer-Resonator, bei
dem im Wege der Förderleitung, gewöhnlich unmittelbar der Pumpe benachbart, ein
größerer Behälter vorgesehen ist, bei dem das Eintrittsrohr mit dem Austrittsrohr
axial fluchtet. Ein solcher Einkammer-Resonator stellt praktisch eine abschnittweise,
erhebliche Vergrößerung der Rohrleitung dar und sie ist vom Bauaufwand sowie vom
Betriebsgewicht her sehr aufwendig. Bei Drücken von etwa 170 bar hat ein solcher
Resonator z. B. eine Länge von 140 cm und einen Durchmesser von e wa 60 cm. In diesem
Einkammer-Resonator können die Druckschwankungen nur etwa um 80% abgebaut werden,
so daß die Förderleitungen noch verhältnismäßig kräftig und dementsprechend aufwendig
sein müssen. Auch erhält man diese Verringerung der Pulsation um ca. 80% nur bei
geringeren Drükken in der Größenordnung von 180 bar. Dagegen ist bei höheren Förderdrücken
die mit den vorbeschriebenen Resonatoren erreichbare Verminderung der Pulsation
kleiner, so daß diese Resonatoren insbesondere für höhere Förderdrücke noch unbefriedigend
sind.
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Ferner gibt es nocht verhältnismäßig komplizierte Membran-Speicher
mit Vorventilen, bei denen man die Sicherheit für den Fall eines Risses oder einer
Zerstörung der Membrane erhöhen will. Dafür muß aber ein außergewähnlicher Bauaufwand
in Kauf genommen werden. Dennoch ist auch bei diesen Membran-Speichern mit Vorventilen
die Höchstdruckbelastung begrenzt.
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Alle vorbeschriebenen Einrichtungen wie Windkessel, Membran-, Blasenspeicher
sowie Resonatoren haben die Tendenz, daß sie bei höheren Drücken und bei höheren
Pumpendrehzahlen zunehmend schlechter arbeiten. Bei Förderdrücken oberhalb 800 bar
machen derartige Vorrichtungen einen im Verhältnis zur Förderpumpe unangemessenen
Aufwand.
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Es besteht daher die Aufgabe, einen Pulsationsdämpfer der eingangs
erwähnten Art zu schaffen, bei dem die Nachteile der vorbekannten Einrichtungen
weitgehend vermieden werden. Insbesondere soll der Pulsationsdämpfer auch für Drücke
von der Größenordnung von 800 bis 1000 bar und auch darüber geeignet sein, einen
vergleichsweise geringen Bauaufwand haben und dabei die von der Förderpumpe kommenden
Druckschwankungen im Fördermedium weitgehend ausgleichen.
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Die erfindungsgemäße Lösung besteht bei einem Pulsationsdämpfer der
eingangs erwähnten Art insbesondere in den Kennzeichnungsmerkmalen des 1. Anspruchs.
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Ein solcher Pulsationsdämpfer arbeitet nach einem von den bisher
bekannten Vorrichtungen dieser Art abweichenden Prinzip unter Zuhilfenahme mechanisch
schwingender Teile und der darauf wirkenden Hydrodynamik.
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Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
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Nachstehend wird die Erfindung anhand zweier vorteilhafter Ausführungsbeispiele
in Verbindung mit der Zeichnung noch näher erläutert. Es zeigt, zum Teil stärker
schematisiert, in unterschiedlichen Maßstäben F i g. 1 ein Leitungsschema mit eingebautem
Pulsationsdämpfer, F i g. 2 einen Längsschnitt durch einen Pulsationsdämpfer mit
den benachbarten Rohrleitungs-Anschlüssen und F i g. 3 einen Teil-Längsschnitt durch
das Pulsationsrohr und das darin befindliche Düsenrohr eines Pulsationsdämpfers
in gegenüber F i g. 1 etwas abgewandelter Ausführung.
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Ein Leitungssystem 1 weist eine Ölquelle 2 (z. B. einen Tank), eine
Kolbenpumpe 3, Förderstromleitungen 4 bis 6 sowie einen in diese eingebauten Pulsationsdämpfer
7 auf, wie stark schematisiert in F i g. 1 dargestellt ist.
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Der Pulsationsdämpfer 7, nachfolgend auch kurz »Dämpfer 7« genannt,
hat ein in der Förderstromleitung 5, 6 angeordnetes Pulsatorrohr 10, in dem sich,
benachbart der Strömungs-Eingangsseite 8, ein axial hin- und herverschiebbares Düsenrohr
11 befindet. Dieses ist von einer entgegen der Strömungsrichtung (vgl. Pfeile 33
und 34) wirkenden Schraubenfeder 12 beaufschlagt.
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Die axiale Beweglichkeit des Düsenrohres 11 ist zur Eingangsseite
8 des Pulsationsdämpfers 7 hin durch einen vorderen Axialanschlag 20 begrenzt, in
Strömungsrichtung durch die Feder 12, die sich ihrerseits mit ihrem hinteren Ende
auf einen hinteren Axialanschlag 21 abstützen kann. Diese beiden Axialanschläge
20 und 21 sind mit dem Pulsatorrohr 10 fest verbunden. Das Düsenrohr 11 weist, in
Strömungsrichtung aufeinander folgend, drei Abschnitte auf, nämlich einen sich verengenden
Düseneinlauf 14, einen zylindrischen Düsenhals 15, der den engsten Querschnitt des
Düsenrohres 11 darstellt, sowie einen sich daran anschließenden, in Strömungsrichtung
erweiternden Diffusor 16. In den Zeichnungsfiguren 2 und 3 sind das Düsenrohr 11,
die Feder 12 sowie die beiden Axialanschläge 20 und 21 der besseren Übersicht wegen
mit Abständen zueinander gezeichnet. Im praktischen Betrieb liegt die Feder 12 dagegen
einerseits am hinteren Axialanschlag 21 und andererseits am hinteren Ende des Diffusors
16 an und das Düsenrohr macht laufend eine Hin- und Herbewegung entsprechend dem
Doppelpfeil Pfl in Fig. 3. Wie gut zu erkennen, liegt dabei das Pulsatorrohr 10
in der Hauptförderstromleitung 5, 6 (F i g. 1).
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Fig. 3 zeigt einen Teil eines etwas abgewandelten Pulsationsrohres
10a, in dem sich ein Düsenrohr 11a befindet. Dies ist wesentlich gestreckter ausgebildet
als das Düsenrohr 11 gemäß F i g. 2.
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In Fig.3 erkennt man noch gut ein wesentliches Merkmal der Erfindung:
Die beiden Führungsflansche 26 u. 27 haben etwas Spiel S gegenüber der Innenwand
28 des Pulsatorrohres 10 bzw. 10a. Dementsprechend kann Förderflüssigkeit auch außen
um das Düsenrohr 11 bzw. 11a vorbeiströmen, während das Düsenrohr 11 bzw. 11a seine
Oszillationsbewegung gemäß dem Doppelpfeil Pfl durchführt. Während des Betriebes
stellt sich das Düsenrohr 11 bzw. 11a etwa konzentrisch zum Pulsatorrohr 10 bzw.
10a.
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Wie gut aus F i g. 2 u. 3 erkennbar, stimmt der lichte Durchmesser
D 1 des vorderen Axialanschlages 20 mit dem Durchmesser D 2 der Eintrittsfläche
des Düseneinlaufes 14 überein. Ferner entsprechen diese beiden lichten Durchmesser
D 1 und D 2 dem lichten Durchmesser D3 des Zuleitungsrohres 5 des Leitungssystems
1.
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Dementsprechend sind die lichten Querschnitte der Zuströmleitung
5, des von deren dem Pulsationsdämpfer 7 zugewandten Ende gebildeten Axialanschlages
20 und der Eintrittsfläche des Düseneinlaufes 14 gleich, was nicht nur aus strömungstechnischen
Gründen günstig, sondern auch für die Funktionsweise des Pulsations-
dämpfers
7 vorteilhaft ist. Der sich an den Düseneinlauf 14 anschließende Düsenhals 15 des
Düsenrohres 11 bzw.
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11a ist mit einem kleineren, dem Durchmesser D4 entsprechenden lichten
Querschnitt versehen als das Zuleitungsrohr 5 (Fig.2). Dagegen entsprechen der lichte
Durchmesser D5 der Endfläche des Diffusors 16, der lichte Durchmesser D6 der Schraubenfeder
12 sowie der lichte Durchmesser des hinteren Axialanschlages 21 dem lichten Durchmesser
D 8 der Ableitung 6 des Leitungssystems 1. Dabei bildet das Eintrittsende der Ableitung
6 gleichzeitig den hinteren Axialanschlag 21.
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Demgemäß sind auch die diesen Durchmesser D5 und D 8 entsprechenden
lichten Querschnitte gleich, was aus den vorstehend erörterten Gesichtspunkten erwünscht
ist.
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In Fig. 2 erkennt man in der Zuleitung 5 und der Ableitung 6 des
Leitungssystems 1 in der Nähe des Pulsationsdämpfers 7 je noch einen schematisch
angedeuteten Schieber 30 und 31. In der Praxis benötigt man solche Schieber 30,
31 zum Regulieren bei unterschiedlichen Drücken oder Durchflußmengen, gegebenenfalls
auch, um einen Pulsationsdämpfer 7 ausbauen bzw. austauschen zu können.
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Zum Glätten der Druckschwankungen arbeitet der Pulsationsdämpfer
7 im wesentlichen folgendermaßen: Wenn Förderflüssigkeit, pulsierend von der Kolbenpumpe
3 herkommend, in das Düsenrohr 11 einströmt, kommt es wegen des geringeren Durchmessers
D 4 des Düsenhalses 15 dieses Düsenrohres 11 zu einer Vergrößerung der Strömungsgeschwindigkeit
beim durch den Düsenhals 15 durchströmenden Fördermedium. Gleichzeitig sucht sich
das verschiebbar im Pulsatorrohr 10 gelagerte Düsenrohr 11 entgegen der Kraft der
Schraubenfeder 12 in Strömungsrichtung (Pfeile 33 u. 34) mitzubewegen. Die dieser
Bewegung des Düsenrohres 11 entgegenwirkende Feder 12 wird zunächst etwas zusammengedrückt
und kann anschließend entsprechend den Druckschwingungen des dem Pulsationsdämpfer
anströmenden Fördermediums das Düsenrohr 11 in Richtung der Eingangsseite 8 etwas
zurückdrücken.
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Dieser Vorgang wiederholt sich laufend und nach einer gewissen Anlaufphase
stellt sich eine Resonanzschwingung in dem im wesentlichen vom Düsenrohr 11 und
der Feder 12 gebildeten mechanischen Schwingungssystem her. Dabei befinden sich
die Schwingungen dieses mechanischen Schwingungssystems in dessen Resonanzbereich
und diese Schwingungen sind auf die Druckschwingungen im Fördermedium, wie sie von
der Pumpe 3 kommen, abgestimmt. Um diese Abstimmung zu erreichen, sind bei einem
Pulsationsdämpfer 7 die Kenngrößen des Fördermediums, insbesondere die Drehzahl
und die Anzahl der Kolben der Pumpe 3 zu berücksichtigen. Die Eigenfrequenz des
von Düsenrohr 11 und Feder 12 gebildeten Schwingungssystems ist dann auf diese Kenngrößen
des Fördermediums bzw. der sich darauf ergebenden Pulsfolge abzustimmen. Dies kann
z. B. erfolgen durch Variation des Gewichtes des Düsenrohres 11, der Feder-Kennwerte
sowie der unterschiedlichen Durchtrittsquerschnitte am Düsenrohr 11. Dabei sind
einerseits der sich aus dem Durchmesser D 4 des Düsenhalses ergebende zentrale Durchtrittsquerschnitt
F 1, andererseits der sich aus dem Spalt S zwischen den Flanschen 26 bzw. 27 des
Düsenrohres einerseits und der Innenwand 28 des Pulsatorrohres ergebende Kreisringquerschnitt
F2 zu berücksichtigen.
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Es hat sich herausgestellt, daß mit einem derartigen Pulsationsdämpfer
7 eine wesentliche Vergleichmäßigung der Strömung zu erreichen ist; man erhält eine
Dämpfung
der Druckschwankungen in einer Größenordnung von 90% und gegebenenfalls noch mehr
bei verhältnismäßig geringem mechanischen Aufwand.
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Der erfindungsgemäße Pulsationsdämpfer 7 hat sich insbesondere bei
Leitungssystemen 1 bewährt, in denen Drücke von 800, 1000 und mehr bar, beispielsweise
Förderdrücke bis 2000 bar auftreten. Die Pumpe 3 liefert dabei turbulente Strömung.
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Es hat sich herausgestellt, daß die Feder 12 zweckmäßigerweise als
Schraubenfeder mit einer lichten Weite D 6 ausgebildet ist, die der lichten Weite
D 8 der Ableitung 6 wenigstens in etwa entspricht. Weiterhin hat sich herausgestellt,
daß die Zuleitung 5 von der Pumpe 3 zum Pulsationsdämpfer 7 zweckmäßigerweise geradlinig,
und zwar vorzugsweise waagerecht und geradlinig ausgeführt ist. Ferner ist es von
Vorteil für die Pulsationsdämpfung, wenn der Pulsationsdämpfer 7 möglichst nahe
an der Pumpe 3 angebracht ist, vorzugsweise unmittelbar an der Pumpe. Durch die
vorerwähnten Maßnahmen, einzeln oder in Kombination miteinander, können die Länge
der Leitung von der Pumpe 3 zum Pulsationsdämpfer 7 kurz und damit die Gefahr von
unerwünschten Strömungsabläufen klein gehalten werden.
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Am Düsenrohr 11, lla sind am vorderen und hinteren Ende Führungsflansche
26 u. 27 vorgesehen. Sie sorgen, unabhängig vom vorgesehenen Spiel S; für eine gewisse
Führung des Düsenrohrs 11 im Pulsatorrohr 10. Durch die Ausbildung und die Wahl
der Abmessungen der Führungsflansche 26 u. 27 kann die Durchtrittsfläche F2 beeinflußt
werden. Zweckmäßigerweise dienen diese Führungsflansche 26 u. 27 auch als Gegenfläche
für den vorderen Axialanschlag bzw. als Widerlager für die Schraubenfeder 12.
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Mit Hilfe eines Pulsationsdämpfers 7 der vorbeschriebenen Art können
Störungen in Leitungssystemen 1 besser als bisher vermieden oder wenigstens vermindert
werden. Man kommt mit wesentlich geringem Aufwand als bei vergleichbaren, für Hochdrücke
dienende Leitungssysteme 1 aus.
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Da im Ausführungsbeispiel (F i g. 2) die dem Pulsatorrohr 10 benachbarten
Befestigungsflansche 40 u. 41 des Zuleitungs- und Ableitungsrohres 5, 6 gleichzeitig
den vorderen und den hinteren Axialanschlag 20 und 21 bilden, ist an der Eingangsseite
8 des Pulsators der lichte Durchmesser D 1 des vorderen Axialanschlages 20 gleich
dem lichten Durchmesser D 3 der Zuleitung 5 und bezüglich der Ableitung 6 bzw. ihres
Durchmessers D 8 gilt analoges. Der mit D 9 bezeichnete Innendurchmesser des Pulsatorrohrs
10 (F i g. 2) ist entsprechend größer als die Durchmesser D3 bzw. D8 der Zu- und
Ableitung 5 u. 6 ausgebildet. Der Innendurchmesser D 3 der Zuleitung 5 ist gleich
dem Durchmesser D8 der Ableitung 6. Damit der Pulsationsdämpfer 7 mit seinem Düsenrohr
11 im Zusammenwirken mit der Feder 12 im Resonanzbereich arbeitet, müssen die Durchmesser
D3, D9, D4, ferner auch D2 und D5 in einem bestimmten Verhältnis zueinander stehen.
Die Ermittlung des Resonanzbereiches ist der einschlägigen Fachwelt bekannt. Der
Resonanzbereich ist dabei, wie bereits erwähnt, von den Daten der Pumpe 3, aber
auch von entsprechenden Daten des Fördermediums, des Pulsationsdämpfers 7 und von
dem Verhalten des Leitungssystem 1 unter Last, d. h., vom Material und von der Dimensionierung
des Leitungssystems abhängig.