DE3740696A1 - Fluegelzellenpumpe fuer gase, daempfe, oder dgl. druckmedien - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Flügelzellenpumpe für Gase, Dämpfe oder dergleichen Druckmedien, mit einem Pumpengehäuse, das einen Pumpenraum mit einer kontinuierlich gekrümmten Innen­ fläche aufweist, an welche sich die äußeren Enden der in Axial­ schlitzen bzw. -taschen des Rotors schieberartig geführten Pumpenflügel unter Fliehkraftwirkung anlegen, wobei die Pum­ penflügel einen mit wenigstens einem Einlaß und einem Auslaß versehenen sichelförmigen Raum zwischen Rotor und Gehäusein­ nenfläche in einzelne Sektoren unterteilen.

Flügelzellenpumpen dieser Art werden in größerer Anzahl vornehmlich in pneumatischen und elektropneumatischen Arbeitsgebieten eingesetzt, dabei ist das Druckmedium hin und wieder ein Edelgas oder ein Gas, das aus irgendwelchen Gründen nicht verunreinigt werden darf. Die Pumpen müssen also ohne Schmierung laufen und sind für einen dauernden Trockenlauf eingerichtet.

Für Rotor- und Gehäuse hat man zunächst Edelstahl, Grauguß und dgl. Metallwerkstoffe, auch in vergütetem Zustand, eingesetzt, zum Teil auch Kohlewerkstoffe. Seit Jahren wird dagegen für die Pumpenflügel vornehmlich Kohle verwendet, auch in faserver­ stärktem Zustand. Meist kommen Spezialkohlen mit Kunstharzbin­ dung zur Anwendung.

Solche Werkstoffe haben jedoch eine hohe Feuchtigkeitsempfind­ lichkeit. Sie nehmen leicht Flüssigkeit auf und verkleben daher sehr schnell mit ihren Führungen im Rotor. Daher lassen sie sich, vor allem wenn der Rotor längere Zeit gestanden hat, nur mit verhältnismäßig großer Kraft aus der dann gebildeten Verkrustung wieder lösen. Eine Fliehkraftausstellung ist dabei praktisch nicht möglich. Daher müssen herkömmliche Flügelzellen­ pumpen oft zunächst einem Reinigungsvorgang unterzogen werden, bevor sie anlaufen können.

Die Erfindung geht aus von der eingangs definierten Ausführung einer Flügelzellenpumpe und verfolgt die Aufgabe, diese Pumpe so weiterzubilden, daß das Gleitverhalten der Pumpenflügel auch bei ungünstigen Betriebsverhältnissen verbessert wird und bei Stillstand der Pumpe langdauernd aufrechterhalten bleibt.

Bei einer zur Lösung dieser Aufgabe dienenden Flügelzellenpumpe besteht erfindungsgemäß wenigstens an den Führungsflächen für die Pumpenflügel der Rotor aus einer Kupfer-Blei-Zinn-Legierung mit einem Zinngehalt von 0,5% bis 11%, und die Pumpenflügel weisen eine Kupfer-Zinn-Legierung mit einem Zinngehalt von 5,5% bis 9,0% auf.

Hier sind zwei unterschiedlich beschaffene Kupferbronzen aus­ gewählt, die zueinander außerordentlich gute Gleiteigenschaften haben. Dieses Gleitverhalten ändert sich auch in feuchter At­ mosphäre nicht und wird von anderen im Betrieb oft zugängigen Stoffen praktisch nicht beeinflußt. Die beiden Legierungen kle­ ben weder von Haus aus aneinander, noch wird eine Klebetendenz durch Wasser oder andere Flüssigkeiten geschaffen. Daher können erfindungsgemäß ausgeführte Flügelpumpen unabhängig von der Stillstandszeit praktisch jederzeit in Betrieb genommen werden.

Zur Verringerung des Verstellwiderstandes ist es ferner von Bedeutung, daß der Rotor im Betrieb wenigstens in Axialrich­ tung, nach Möglichkeit auch in Radialrichtung zu seiner Achse möglichst gleichmäßig belastet wird, damit er beim Abschalten nicht unter Kraft an einer bestimmten Wandung zur Anlage kommt. Daher sollten wenigstens zwei Einlaßeinrichtungen und zwei Auslaßeinrichtungen für Druckmedium einander axial gegenüber­ liegend am Umfang eines insbesondere scheibenförmigen Rotors in der Gehäusewandung angebracht sein. Ebenso sollte ggf. wenig­ stens ein Einlaß dem anderen und ein Auslaß dem anderen diagonal zur Rotorachse gegenüberliegend vorgesehen sein.

Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind mehrere Pumpen-Strömungskreise im gleichen Rotor, insbesondere in der gleichen Rotorscheibe vorgesehen. Sie können parallel geschal­ tet sein und lassen sich dann strömungsmäßig zusammenschließen. Es können aber auch mehrere Pumpen-Strömungskreise im Sinne einer Verstärkung wirkungsmäßig in Reihe geschaltet sein.

So läßt sich einem einzigen rotationssymmetrischen Rotor ein Düsenraum mit einer Mehrzahl achsensymmetrisch unter gleicher Winkelteilung angeordnete Pumpenkammern zuordnen.

Dabei kann die Umfangswandung des Pumpenraumes eine Mehrzahl identischer Auswölbungen aufweisen, die jeweils eine Pumpen­ kammer mit mindestens einem Teil-Strömungskreis bilden und mit gleichsinniger Krümmung tangential ineinander übergehen.

Bei einer besonders einfachen Ausführungsform dieser Bauart weist die Innenwandung der Pumpenkammer ellipsenförmigen Quer­ schnitt auf und bildet mit dem zu ihr zentrischen zylindrischen Rotor zwei sichelartige Pumpenkammern mit je einem Einlaß und einem Auslaß. Anstelle von zwei Pumpenkammern können auch deren drei, vier oder mehr vorgesehen sein. Es sollte aber die gleichsinnige Krümmung der ganzen Umfangswandung möglichst gewahrt bleiben.

Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind in den Ansprüchen festgehalten und werden im folgenden anhand der Zeichnung ausführlicher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Flügelzellenpumpe nach der Linie I-I in Fig. 2,

Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 eine Ansicht der gleichen Pumpe in Richtung des Pfeiles III in Fig. 1 gesehen,

Fig. 4 eine Stirnansicht einer abgewandelten Rotorscheibe,

Fig. 5 einen Schnitt nach der Linie V-V in Fig. 4,

Fig. 6 in schematischer Darstellung einen Profilschnitt einer Pumpe mit elliptischer Umfangsfläche ihres Pumpenraumes,

Fig. 6a ein erstes zugehöriges Schaltbild zum Ausgleich der auf eine Rotorscheibe einwirkenden axialen Strö­ mungskräfte zweier getrennter Strömungskreise und

Fig. 6b eine solche Darstellung für wirkungsmäßig hinter­ einander geschaltete Strömungskreise.

Die in Fig. 1 gezeigte Flügelzellenpumpe (1) ist an der Stirn­ seite eines nur in Umrißlinien dargestellten Motors (2) befestigt, der zweckmäßigerweise durch einen insbesondere regelbaren Servo-Gleichstrommotor gebildet wird. An der Stirnseite (3) des Motors (2) sind zentrisch hintereinander eine Innenscheibe (4), ein Stützring (5) und eine Außenscheibe (6) angebracht, die radial durch eine Hülse (7) am Motor (2) gehalten und durch einen Motoransatz (11) zentriert sind. Die zylindrische Innenfläche (8) des Stützringes (5) begrenzt in diesem einen zylindrischen Pumpenraum (9).

Der Wellenzapfen (13) der Motorwelle ragt in der Pumpenachse (10) durch eine zentrische Durchbrechung (14) hindurch in den Pumpenraum (9) und trägt drehfest den in diesem angeordneten, wiederum zylindrischen Rotor (15). In diesen sind von radial außen her unter gleicher Umfangsteilung vier Führungsschlitze (16) für als quaderförmige Platten ausgebildete Pumpenflügel (17) angebracht. Deren äußere Enden (171) sind mit der Krümmung der Umfangsfläche (8) des Pumpenraumes (9) ausgeführt.

Der Stützring (5) hat eine erste, kleinere Dicke (d 1) und dieser gegenüber eine zweite Dicke (d 2), die um die doppelte Exzentrizität (2 e) größer ist als (d 1). Dadurch wird ein sich vom oberen Totpunkt (OT) nach beiden Seiten über jeweils 180° zu einer maximalen Weite (2 e) erweiternder sichelförmiger Arbeitsraum (18) geschaffen, der durch die einzelnen Pumpenflügel (17) unterteilt wird in vier Zellen, die Pumpen­ kammern (181-184).

Einlaß (E) und Auslaß (A) weisen, wie am besten aus Fig. 1 zu ersehen ist, jeweils eine in die Außenscheibe (6) eingebrachte und mit Gewinde für eine Anschlußleitung versehene Senkbohrung (19) auf. Diese steht mit einer Ausnehmung (20) in der Außenscheibe (6) und mittels einer im dickeren Teil des Stützringes (5) durchgehenden Axialbohrung (21) mit einer weiteren Ausnehmung (22) auf der Innenseite (41) der Innen­ scheibe (4) in Verbindung. Zur jeweils gegenüberliegenden Kammer, in Fig. 1 der Pumpenkammer (181), werden daher zwei einander axial exakt gegenüberliegende Einlässe (E 1) und (E 2) ebenso gebildet wie in der Zeichnung nicht gesondert darge­ stellte Auslässe (A 1) und (A 2). Im Ein- und Auslaßbereich wird auf diese Weise vollständige axiale Druckentlastung erzielt, d.h. der scheibenförmige Rotor (15) ist weitgehend berührungs­ frei zwischen den axial begrenzenden Innenflächen (41) der Innenscheibe (4 und 61) der Außenscheibe (6) gehalten.

Der Einlaß hat hier einen Winkelabstand (a) in der Größen­ ordnung von etwa 80° vom oberen Totpunkt (OT), der Auslaß (A) einen Abstand (b) in der Größenordnung von 35°. (a) kann je nach Anzahl der Pumpenflügel etwa zwischen 20° und 170° variiert werden, (b) zwischen 10° und 45°. Es wird also von (OT) ausgehend durch eine Drehung des Rotors (15) in Richtung des Pfeiles (23) das Volumen der Kammer (181) ständig ver­ größert und dadurch Druckmedium angesaugt, bis der jeweils hintere Pumpenflügel den Einlaß (E) passiert hat. Von dort wird das angesaugte Volumen im Bereich der Kammer (182) nach Fig. 2 weiter vergrößert und das eingesaugte Gas dadurch expandiert. Anschließend wird im Bereich der Kammern (183) und (184) das Volumen verringert und das Druckmedium leicht komprimiert, bis der jeweils vordere Pumpenflügel (17) den Auslaß (A) erreicht, wo das Gas unter Entspannung entweicht. Durch Veränderung der Winkelabstände (a) und (b) lassen sich dabei die Druckver­ hältnisse des geförderten Druckmediums am Einlaß (E) und Auslaß (A) bei einem Rotorumlauf verändern.

Flügelzellenpumpen werden in der Regel mit zwei, drei oder mehr Pumpenflügeln ausgeführt. Diese können, wie in Fig. 2 darge­ stellt, radial oder achsparallel seitlich der Pumpenachse (10) angeordnet sein, wie dies Fig. 4 zeigt. Sie können auch zwischen radial und axial schrägstehend geführt sein, wie dies anhand von Fig. 6 noch erläutert wird.

So hat nach den Fig. 4 und 5 der Rotor (15) diagonal zur Pumpenachse (10) versetzt und entgegengesetzt angeordnete zwei axial erstreckte Führungsschlitze (16) für dort nicht dargestellte Pumpenflügel (17). Diese Führungsschlitze können auch bis dicht zur Umfangsfläche des Rotors nach außen gerückt sein. Dadurch ändert sich zwar der Querschnitt der einzelnen Pumpenkammern, auf die Pumpenfunktion hat dies aber praktisch keinen Einfluß.

Parallel zu den beiden Führungsschlitzen (16) ist dort ausgehend von der Bohrung (26) für den Wellenzapfen (13) von unten in Fig. 5 eine Nut (27) eingeformt. In dieser Nut stützen sich die beiden Enden einer Schraubenfeder ab, die zum selbsttätigen Ankuppeln an die Motorwelle beim Anlauf des Rotors dient und diesen führt.

Wenigstens im Gleitbereich zwischen den Pumpenflügeln (17) und dem Rotor (15) sind die aneinander anliegenden Wandungen dieser Teile durch besonders gleitgünstige Bronzen gebildet. In der Regel bestehen beide Teile voll aus dem jeweils ausgewählten Werkstoff. So kann der Rotor einen Gehalt an Zinn von 7,8 bis 8,2%, insbesondere 8%, bei einem Gehalt an Blei von 7 bis 26% , insbesondere 7 bis 9% aufweisen. Dagegen empfiehlt sich für den Schieberwerkstoff im Führungsbereich ein Zinngehalt von 8,3 bis 8,7%, insbesondere 8,5% und ein Phosphoranteil von weniger als 0,4%, beispielsweise 0,1 bis 0,3%. Auf diese Weise wird nicht nur der Gleitwiderstand des Schiebers wesentlich herabgemindert, sondern es wird vor allem ein Verkleben oder Festbacken der Pumpenflügel verhindert und dadurch das Anlaufverhalten begünstigt. In der gleichen Richtung wirkt auch die pneumatische Entlastung des Rotors im Pumpenraum nach Art von Luftlagerelementen.

Fig. 6 zeigt in schematischer Darstellung die Anordnung eines wiederum zylindrischen Rotors (15) mit vier unter gleicher Winkelteilung angeordneten, zur Radialen schrägstehenden Pumpenflügeln (17) in einem hier der besseren Erläuterung wegen übertrieben langgestreckten Pumpenraum (9), in dem der Rotor (15) zwei getrennte sichelförmige Betriebsräume (91) und (92) trennt. In jedem dieser Betriebsräume werden, wie in Fig. 6 dargestellt, mindestens zwei Pumpenkammern gebildet. In jeder anderen Rotorstellung sind dies drei Kammer, das heißt eine volle, ausschließlich durch die Pumpenflügel (17) begrenzte Kammer und zwei sichelförmige Teilkammern. Zwei solcher Teilkammern aus beiden Betriebsräumen (91, 92) stehen dabei durch einen engen Schlitz zwischen dem Umfang des Rotors und der Innenfläche (8) des Pumpenraumes in Verbindung. Wegen der großen Drehzahlen ist der Gasaustausch in diesem Bereich jedoch gering.

Aus diesem Grunde können auch die Funktionen aus beiden Betriebsräumen (91, 92) grundsätzlich getrennt behandelt werden, wie dies Fig. 6a zeigt. Die Beziehung zwischen den verschiedenen Darstellungen in den Fig. 6, 6a und 6b sind durch lotrechte Strichpunktlinien deutlich gemacht.

So ist schon in Fig. 6 der Einlaß (E 1) des Betriebsraumes (91) dem Einlaß (E 2) des Betriebsraumes (92) gemäß der Diagonale (D 1) entgegengesetzt zur Pumpenachse (10) angeordnet. Die Diagonale (D 2) zeigt die entsprechend diagonale Anordnung der Auslässe (A 1) und (A 2). Dadurch wird eine radiale Entlastung der Lagerung des Rotors (15) erzielt.

Gemäß Fig. 6a sind die beiden Strömungssysteme (S 1) der Kammer (91) und (S 2) der Kammer (92) grundsätzlich unabhängig voneinander bzw. parallel geschaltet. Der Einlaß (E 1) ist aufgeteilt in zwei axial gegenüberliegende Einlässe (E 1 a) und (E 1 b), der Auslaß (A 1) hat zwei ebenfalls gegenüberliegende Auslässe (A 1 a) und (A 1 b). Das gleiche gilt für die beiden Einlässe (E 1 a) und (E 1 b), sowie die Auslässe (A 2 a) und (A 2 b). Beide Strömungssysteme können also grundsätzlich unabhängig voneinander betrieben werden.

Bei Fig. 6b gilt dies nur für den Einlaß (E 1) und den Auslaß (A 2). Die Auslässe (A 1 a) und (A 1 b) aus dem Betriebsraum (91) sind dagegen kurzgeschlossen mit den Einlässen (E 2 a) und (E 2 b) aus dem Betriebsraum (92). Die Summe der zwischen (E 1) und (A 1) sowie (E 2) und (A 2) abgenommenen Differenzdrücke ergibt den zwischen (E 1) und (A 2) erhaltenen resultierenden Betriebsdruck. Mit der Pumpenausführung Fig. 6 lassen sich also ohne wesent­ liche Vergrößerung der Pumpe höhere Betriebsdrücke erzielen. Diese lassen sich durch weitere dem gleichen Rotor (15) zugeordnete Betriebsräume (91, 92) nochmals steigern, etwa mit drei, vier oder mehr hintereinandergeschalteten Pumpenstufen.

Eine solche Ausgestaltung und Leistungssteigerung ist hier vor allem deshalb möglich, weil die bei Flügelzellenpumpen sonst bekannten Anlaufschwierigkeiten entfallen. Vor allem Größe und Form der einzusetzenden Pumpenräume und der abzuteilenden Pumpenkammern sind durch die angestrebten Differenzdrücke beeinflußt. In Abhängigkeit von dem zu fördernden Druckmedium kann auch die Werkstoffausführung an den Gleitstellen geändert werden.

Claims (18)

1. Flügelzellenpumpe für Gase, Dämpfe oder dgl. Druckmedien, mit einem Pumpengehäuse, das einen Pumpenraum mit einer kon­ tinuierlich gekrümmten Innenfläche aufweist, an welche sich die äußeren Enden der in Axialschlitzen bzw. -taschen des Rotors schieberartig geführten Pumpenflügel unter Fliehkraft­ wirkung anlegen, wobei die Pumpenflügel einen mit wenigstens einem Einlaß und einem Auslaß versehenen sichelförmigen Raum zwischen Rotor und Gehäuseinnenfläche in einzelne Sektoren unterteilen, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens an den Führungsflächen für die Pumpenflügel (17) der Rotor (15) aus einer Kupfer-Blei-Zinn-Legierung mit einem Zinngehalt von 0,5 bis 11,0% besteht und die Pumpenflügel (17) eine Kupfer-Zinn- Legierung mit einem Zinngehalt von 5,5 bis 9,0% aufweisen.

2. Flügelzellenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (15) einen Gehalt an Zinn von 7,8 bis 8,2% bei einem Bleigehalt von 7 bis 26% aufweist.

3. Flügelzellenpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Werkstoff der Pumpenflügel (17) im Führungs­ bereich einen Zinngehalt von 8,3 bis 8,7% bei einem Phosphor­ anteil von 0,1 bis 0,3% hat.

4. Flügelzellenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (15) wenigstens im Führungsbe­ reich für die Pumpenflügel (17) einen Gehalt an Blei von 7 bis 9% aufweist.

5. Flügelzellenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens die Pumpenflügel (17) ganz aus dem für den Führungsbereich vorgegebenen Werkstoff bestehen.

6. Flügelzellenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (15) quer zu seiner Drehachse begrenzt einstellbar gehalten ist, insbesondere auf einem frei vorragenden Wellenzapfen sitzt oder quer zur Pumpenachse (19) pendelnd bzw. verschiebbar gelagert ist.

7. Flügelzellenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Einlaßeinrichtungen (E) und zwei Auslaßeinrichtungen (A) für Druckmedium einander axial gegenüberliegend am Umfang eines insbesondere scheibenförmigen Rotors (15) in der Gehäusewandung (8) angebracht sind.

8. Flügelzellenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpenflügel (17) in einer von der Radialen abweichenden Richtung im Rotor (15) geführt sind.

9. Flügelzellenpumpe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungen (16) für die insbesondere gegensinnig paar­ weise vorgesehenen Pumpenflügel (17) dicht zur Umfangsfläche des Rotors hin, insbesondere annähernd tangential zu dieser angeordnet sind.

10. Flügelzellenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Pumpen-Strömungskreise (S 1, S 2) im gleichen Rotor, insbesondere in der gleichen Rotorscheibe, vorgesehen sind.

11. Flügelzellenpumpe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungskreise (S 1, S 2) parallelgeschaltet und vor­ zugsweise strömungsmäßig zusammengeschlossen sind.

12. Flügelzellenpumpe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Pumpen-Strömungskreise (S 1, S 2) im Sinne einer Verstärkung wirkungsmäßig hintereinander geschaltet sind.

13. Flügelzellenpumpe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, ins­ besondere nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß einem einzigen rotationssymmetrischen Rotor (15) ein Pumpenraum (9) mit einer Mehrzahl achsensymmetrisch unter gleicher Winkeltei­ lung angeordneten Betriebsräumen (91, 92) zugeordnet ist.

14. Flügelzellenpumpe nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Umfangswandung (8) des Pumpenraumes (9) eine Mehrzahl identischer Auswölbungen aufweist, die jeweils einen Betriebs­ raum (91, 92) mit mindestens einem Teil-Strömungskreis bilden und mit gleichsinniger Krümmung tangential ineinander über­ gehen.

15. Flügelzellenpumpe nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwandung (8) des Pumpenraumes (9), ellipsenförmigen Querschnitt aufweist und mit dem zu ihr zentrischen zylindrischen Rotor (15) zwei sichelartige Betriebsräume (91, 92) mit je einem Einlaß (E) und einem Auslaß (A) bildet.

16. Flügelzellenpumpe nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Einlaß (E 1) dem anderen (E 2) und ein Auslaß (A 1) dem anderen (A 2) diagonal zur Pumpenachse (10) gegenüberliegend vorgesehen sind.

17. Flügelzellenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 16, da­ durch gekennzeichnet, daß jeder Auslaß (A) unter einem Winkel von 10° bis 45° vor dem oberen Totpunkt angebracht ist.

18. Flügelzellenpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Einlaß (E) um 20 bis 170° nach dem oberen Totpunkt angeordnet ist.