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Kolbenpumpe. Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kolbenpumpe (-gebläse),
bei welcher die Kolbenbewegung nicht durch Gestänge und Kurbeltrieb erfolgt, sondern
auf eine ganz neue Art dadurch, daß der Kolben mit einem federnden Element verbunden
ist, mit welchem er um eine zur Kolbenachse geneigte Achse in Drehung versetzt und
durch das hierbei entstehende Wechselspiel zwischen Zentrifugalkraft und Federkraft
hin und her bewegt wird.
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Die Pumpe vereinigt die Vorteile der gewöhnlich,en Kolbenpumpe und
der Zentrifugalpump,e, indem sie imstande ist, auch spezifisch leichte Flüssigkeiten
und Gase in einer oder nur wenigen Stufen auf hohen Druck zu pressen und dabei doch
infolge Fortfalls des umständlichen Kurbeltriebs für den Antrieb durch schnellaufende
Maschinen geeignet ist. Durch ihre außerordentliche Einfachheit hat sne zudem noch
den Vorzug kleinster Abmessungen und geringsten Gewichts.
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Das Wesen der Erfindung ist in den Abb. i, 2 und 3 erläutert, zwei
Ausführungsbeispiele sind in den Abb. 4 und 5 dargestellt.
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In Abb. i sei i eine vertikale, biegsame, masselos gedachte Welle,
welche in den Lagern 2 und 3 gelagert ist und eine Scheibe ¢ trägt, deren Schwerpunkt
die Exzentrizität e zur Lagerachse hat. Wird die Welle in Drehung versetzt, so erfährt
sie durch die im Schwerpunkt angreifende Zentrifugalkraft eine Ausbiegung
worin w die augenblickliche und wk die kritische Winkelgeschwindigkeit bezeichnet.
Das Maß f gibt also diejenige Ausfederung der Welle an, bei welcher die Zentrifugalkraft
mit der elastischen Biegungskraft, der »rückwirkenden
« Kraft gerade
im Gleichgewicht ist, während bei kleinerem j die Zentrifugalkraft über die Federkraft,
bei größerem f die Federkraft über die Zentrifugalkraft überwiegt.
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Hat die Zentrifugalkraft außer der Federkraft noch einen Widerstand
zu überwinden, so verringert sich (las Maß (der Ausbiegung für den Gleichgewichtszustand,
während es :ich vergrößert, wenn der Widerstand in tnngekehrter Richtung wirkt.
Dieses Spiel der Kräfte ist in Abb.3 in einem Koordinatens ,-cs stein veranschaulicht.
Die @'- Achse ist die Drehachse: auf (der X-Achse sind Exzentrizität c und Durchbiegung
f aufgetragen. 1n der Ruhelage, hei welcher der Sch@,#erpunkt S tun die Exzentrizität
O S = e von (der Drehachse entfernt ist und die Durchliiegung gleich Null
ist, ist die Welle spannungslos. .Trägt man die bei der Drehung entstehende F lielikraft
und (die entgegenwirkende Federkraft der Welle als Ordinaten auf, so wird erstere
als direkt proportional der E-iitfernung von der Drehachse durch die Gerade 0--1
für die Winkelgeschwindigkeit w, letztere als direkt proportional der Durchbiegung
durch die Gerade SC dargestellt. Dort, wo die beiden Geraden einander schneiden,
herrscht Gleichgewicht zwischen Zentrifugalkraft und Federkraft, (die Strecke f
gibt also die Durchhiegung der Welle für den Gleichgewichtszustand `bei der Winkelgeschwindigkeit
u( an. Mit wachsender Drehzahl wird der Winkel cc, (den die Gerade 0_-l finit der
YAchse bildet, immer größer (es ist tg a-rn #'n,2, worin in. (die rotierende Masse),
der Schnittpunkt der leiden Geraden rückt iinnier weiter hinaus, bis die Geraden
einander parallel geworden sind. Die Drehzahl, bei welcher dies der Fall ist, ist
die kritische: bei ihr ist ein Gleichgewicht zwischen Zentrifugalkraft und Federkraft
nicht mehr möglich, die Zentrifugalkraft ist vielmehr stets um d(n Betrag m # c
# u, j; größer als die Federkraft. Aus der Abbil-(lung ist auch ohne weiteres ersichtlich,
daß, wenn außer der Federkraft noch ein Widerstand vorhanden ist, welcher entweder
zur Federkraft hinzukommt (punktierte Linie), oder von ihr abzuziehen ist (strichpunktierte
Linie), das Maß f für die Gleichgewichtslage im ersteren Falle sich verringert (f1),
im letzteren Falle sich vergrößert (f",). Selbstverständlich wird durch den Widerstand
auch (die kritische Geschwindigkeit verändert, falls nicht die Widerstandslinie
parallel ztt S C verläuft.
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Dies vorausgeschickt, besteht das Wesen der vorliegenden Erfindung
darin, durch periodische -Veränderung einer oder mehrerer der drei Größen w, wk
und e Pendeltingen der Gleichgewichtslage hervorzurufen und dadurch mittels kraftschlüssiger
Verbindung der federn,len Welle mit einem Kolben den Hin-und Hergang des letzteren
zu bewirken, wobei die Differenz zwischen Zentrifugalkraft und Federkraft die für
die Kolbenbewegung erforderliche Kraft hergibt. Für das Wesen der Erfin(ltuig ist
es dabei gleichgültig, welchen Anteil an dein Bewegungsvorgang die vor dem Eintreten
des Gleichgewichtszustandes stattfindenden Schwingungen uni die Gleichgewichtslage
haben, falls sie nicht durch Anschläge verhindert sind.
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Statt der federnden Welle kann natürlich jedes beliebige federnde
Organ oder ein System von l#'e(lern oder auch ein in eineue finit koinpressiblein
Gas (z. B. Luft) gefüllten Zylinder bewegter Pufferkolben o. dgl. oder schließlich
auch eine Kombination beider zur Verwendung kommen. Die Wahl dieser 'Mittel wird
sich ein allgemeinen nach den jeweiligen Konstruktions(laten (Beschaffenheit des
Fördermediums, (@rölie der voltunetrischen Leistung, des Drucks, Gesetz des äußeren
Widerstands, Art des Antriebs, Uin(lrehungszahl ) richten. Auch muß beine Entwurf
der 'Maschine darauf Bedacht genoininen werden, <;aß die Schwingungen der hin
und her gehenden '-lassen auch wirklich in der ihnen zugemessenen Zeit vor sich
gehen können, und (Maß alle die Kolbenbewegung beeinflussenden Unistände Berücksichtigung
finden. Bei horizontaler Lagerang der Drehachse wird nötigenfalls der Einfluß der
durch das Gewicht der pendeln(len 'Massen hervorgerufenen Eigetiscliwiiigting zu
berücksichtigen sein.
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ach(lein der Erfindungsgedanke durch :Vorstehendes ausführlich erläutert
ist, dürfte es genügen, die 1?rfindung an zwei Ausführungsbeispielen in den Abh.
d. und 5 darzustellen. Beiden Ausführungen ist gerneinsani, (Maß sich von den drei
obergenannten Größen die Größe u, periodisch ändert, oder, anders ausgedrückt, d
aß die Pumpe mit einem gewissen, (-lern Zweck entsprechenden Ungleichförinigkeitsgrad
läuft, sei es, (-aß auch die Antriebsmaschine einen solchen besitzt, sei es, (Maß
zwischen die mit gleichförmiger Ges_h«indigkeit umlaufende Antriebsinas: iiiie und
die Pumpe ein besonders ausgebildetes Zwischenglied (Kupplung) eingeschaltet ist,
«-as z. B. in einfacher Weise durch eine Kuri)eIscheibe mit e7#:zentrischer Gegenscheibe
gebildet sein kann (in welchem Falle also die '%i'elleinnitten von Pumpe und Antriebsinaschine
nicht zusammenfallen).
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In Abb. 4. ist i ein starrer Körper, welcher :i den Lagern :2 und
3 gelagert ist und ve--: einer Antriebsmaschine 4. eine Drehgeschwindigkeit finit
einem gewissen Ungleichförmig--,:`tsgrael erhält. In ihm sind in Zvlindern -. Kolben
6 beweglich, welche durch eine Feder ;, deren Zugkraft der Zentrifugalkraft
entgegenwirkt,
miteinander verbunden sind. Infolge der ungleichförmi-en Drehbewegung, deren Winkelgeschwindigkeit
zwischen einem -,\liniinum und Maximum pendelt, ist nun, wie oben erläutert wurde,
je nach der Winkelgeschwindigkeit die Zentrifugalkraft mit der Federkraft ± Kolbenkraft
bei verschiedenen Abständen der Kolben von der Drehachse im Gleichgewicht, was zur
Folge hat, daß die Kolben hin und her bewegt werden, wobei sie das Fördermittel
bei S durch die hohle Welle und die Saugventile 8 ansaugen und durch die Druckventile
g in den feststehenden Behälter r o drücken, an welchen sich bei D die Druckleitung
anschließt. Der Behälter io kann nötigenfalls mit einer (nicht gezeichneten) Kühlung
versehen sein.
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In Abb. 5; welche ein zweistufiges Gebläse darstellt, besteht das
elastische Organ aus der Feder i i und dem Pufferkolben 12. Letzterer hat den.Zweck,
die Feder ii zu entlasten, indem der im Pufferzylinder entstehende Kompressionsdruck
einen Teil (gegebenenfalls den Hauptteil) der elastischen Gegenkraft bildet. Der
Vorteil dieser Bauart besteht darin, daß auch bei größeren Betriebsdrücken die Feder
verhältnismäßig kleine Abmessungen erhält, so daß der Schwerpunkt der hin und her
gehenden Massen näher an die Drehachse lieranriickt, Gewicht und Schwungtnoment
des ganzen rotierenden Körpers kleiner und dadurch die infolge der. ungleichförmigen
Drehgeschwindigkeit entstehende Rückwirkung auf die antreibende Maschine verringert
wird. Der Pufferkolben wird zweckmäßig mit Nuten 13 versehen, durch welche
in der andern Endlage eine Verbindung mit dem Ringrahm 14 entsteht, so daß Druckausgleich
stattfindet und dadurch die Druckerzeugung im Pufferzylinder und damit die Kolbenbewegung
für alle Hübe in derselben Gleichmäßigkeit vor sich geht. Es versteht sich von selbst,
daß statt einer gemeinschaftlichen Feder für ein Kolbenpaar eine besondere Feder
für jeden Kolben vorgesehen sein kann, welche einerseits am Kolben, anderseits am
starren Körper befestigt ist. Ebenso kann der Winkel, den die Kolbenachse mit der
Drehachse bildet, jeden beliebigen Wert z`vischen 90° und dem Reibungswinkel annehmen.
Schließlich sei noch auf eine besondere Eigentümlichkeit der beschriebenen Maschine
hingewiesen. Falls nämlich die Antriebsmaschine (oder das Zwischenglied zwischen
Antriebsmaschine und Pumpe) so gebaut wird, daß die Drehzahlschwankung während jeder
Umdrehung nicht einmal, sondern n-mal erfolgt, worin n jede beliebige ganze oder
gebrochene Zahl sein kann, so macht die Pumpen Hübe. Es ist also durch eine derartige
Maßnahme eine n-fache Übersetzung zwischen Pumpe und .4ntriebsinaschine geschaffen.
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Zu den Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes mit Veränderung
der andern beiden Größen e und wl, sei an dieser Stelle bemerkt, daß deren
eine große Zahl möglich ist, da die Schwingungszahl der Feder (welche ja mit der
kritischen Drehzahl identisch ist), von vier Größen, nämlich der Belastung, der
eingespannten Länge (der Windungszahl), dem Elastizitätsmodul und dem Trägheitsmoment
des Federquerschnitts abhängt. Durch periodische Veränderung von e oder einer dieser
vier Größen (von denen wohl diejenige des Elastizitätsmoduls_ nach dem heutigen
Stande der Technik ausscheidet), wird also die Größe f (s. obige Gleichung) verändert
und damit die Kolbenbewegung erzeugt werden können.
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Bei allen Ausführungsformen der Erfindung kann natürlich bei kleinen
Leistungen statt des Kolbens eine Membran vorgesehen sein.