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Einfach- oder doppeltwirkende Pumpe. Bei (len gewöhnlichen Arten von
Pumpen ist die Arbeit konstant, wenn die Geschwindigkeit der Kolben und der Hub
konstant sind. Infolgedessen ist eine gleichbleibende Antriebskraft erforderlich.
Der Zweck der Erfindun- besteht darin, in einer Pumpe eine veranderliche Arbeit
bei konstant bleibendem Hub zu erhalten, so daß, wenn der zur Verfügung stehende
Motor eine veränderliche Kraft überträgt, es möglich ist, die nutzbare Kraft von
einem Minimum bis zu einem bestimmten Maximum unter der einzigen Bedingung zu steigern,
daß mit den Schwankungen der Kraft solche in der Geschwindigkeit des Motors innerhalb
einer bestimmten Grenze übereinstimmen müssen. Die Erfindung ist besonders zweckmäßig,
wenn ein' Windmotor o. dgl. zur Verfügung stehen.
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Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt.
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Abb. i zeigt einen senkrechten Längsschnitt durch die Pumpe, Abb.:2
einen dazu senkrechten Schnitt,
Ab. 3 einen wagerechten Schnitt
nach Linie A-B in Abb. i#, Abb. 4 und 5 zeigen Einzelheiten.
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Die Pumpe ist eine Saug- und Druckpumpe init zwei gleich beschaffenen
Zylindern und Kolben und kann in jedem Augenblick eine gleiche Bewegung in entgegengesetzter
Richtung ausführen. Während der eine Kolben geht, geht der andere init der
Z,
,gleichen Geschwindigkeit abwärts, so daß ( lie durch ihre Bewegung geförderten
Men-",ei] immer dieselben sind. Die Anordnung zweier Zylinder anstatt eines Zylinders
gestattet neben der Vereinigung der Fördermengen noch einen kleineren Querschnitt
der Kolben, eine größere Regelmäß 'z igkeit in der Beanspruchung und kleinere Luftkainmern
für das Saugen und Drücken. Die Pumpe besteht aus einem gußeisernen Gehäuse i, das
an seinem unteren Ende zwei Zvlinder 2 trägt, in denen die Kolben 3 laufen.
Die Kolben sind durch Pleuelstangen 4 mit den Enden eines Balanciers 5 verbunden,
der auf der Achse 6 drehbar ist. Die beiden ZN-Iiiider sind vorn und hinten
durch eine ##'and 7 bzw. (9 Und in der Mitte durch einen Steg
9 verbunden, so daß zwischen den 7ylindern, den beiden Wanden 7-iind
8 und dein Steg 9 zwei getrennte Räume io und ii gebildet werdeii.
Die Kammer io ist mit der Kainnier i i durch einen Kanal 13 (Abb. 2) und
Ventil i4# in Verbindung, während die Kammer ii init dein Kanal 12, der sich im
Boden des gußeisernen Gehäuses quer zum Kanal 13 befindet, durch die Kanäle
j41 und mit dein Oberteil des Gehäuses durch ein ausbalanciertes Ventil 15 verbunden
ist. Die entsprechenden Leitungen für (las Wasser sind ans den Abb. 1,
2 tuld 3 ersichtlich. Der Kanal 12 verbindet die Sati"x-etitile 22' und die
Kaininer ii. Infolge dieser Anordnung ist die Funktion (ler Saugluftkaiiiiner ii
gesichert, auch wenn (las Ausgleichventil i.q offen ist. während die Pumpe auch
in dein Falle eines sehr großen Hubes wirken kann.
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Das Gehäuse i wird seitwärts durch eitien Deck-ei 16 (Abb.
2) abgedeckt, durch welchen die abgedichtete Achse 6 hindurchgeht. Die Kammer
io besitzt einen Flansch 18, an welchen (las Pumpensaugrohr ig angeschlossen ist.
Die Kammer ii hat eine Bolirung, in die das Ventil 1.5 eingesetzt ist. Das Gehäuse
trägt am oberen Teil einen Flansch 20 (Abb. 2) für die Luftkaninier 21. Die Welle
6 liegt mit ihrem einen Ende in dein Lager 22, das mit Bolzen am Gehäuse
befestigt ist.
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Die Kolben 3 erhalten eine doppelte Lederpack-ung
23 und Ventile von gleicher Beschaffenheit wie die Ventile Der Ba-Iancier
ist auf :der Welle 6 durch einen Keil befestigt und trägt ein ritigförmiges
Seginent 25. Die Welle ist außerhalb des Gehätises zvlindrisch verlängert
und trägt einen Gewiii(lean%atz zur Kupplung der Antriebswelle.
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Das Ventil 15 besitzt einen beweglichen Deckel 26. der eine
Rolle 27 Und drei Flügel
2,9 trägt. Der Deckel ruht auf drei
am Ventil i ## befestigten Zapfen 34 Und kann teleskopartig über einen mit einem
geschlossenen Boden ausgebildeten zylindrischen Gehäuseteil 29 gleiten, der die
Sitze 30 und 31 eines doppelsitzigen, rührf5rmigen Ventile.-,
32 aufiiiiiinit. Eine konische Spiralfeder 33 (117fickt den Kegel
gegen die Sitze. Das doppel-.,tzi"e Ventil ist mit Bezu- auf den Druck im Gehäuse
im Gleichgewicht, da die beiden ringförmigen Konusse gleich sind, während dies nicht
der Fall ist mit Bezug auf den Unterdruck, der in der Kammer ii auftritt.
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Der 'Mechanismus zum Steuern des Hubes besteht aus eienein mit Bohrungen
47 versehenen Messingzylinder 36, einem beweglichen Kolben 37, der
einen elastischen Ring 38 trägt, einer VerbindungsstanZe 39, die am
freien Ende an einem Arm 4(-) angelenkt ist. der uni (las Lager 22 (Abb. 2) schwingt.
An diesem schwingenden Arm 4o ist ein Daunien in Form eines kreisbogenförinigen
Gleitstückes 41 angelenkt, das init einem Flausch 42 ausgebildet ist. Das Gleitstück
ruht auf fiel- Rolle 27, während (-ler Flansch 42 am Gelerik des Schwinghebels
4o anliegt. Ein Filter 43 verhindert den Eintritt von Frerndkörpern in die Kammer
io.
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Die Wirkungsweise ist folgende: Wird die Welle ()- in Schwingungen
versetzt, so bewegen sich die Kolben abwechselnd, so diß Wasser angesaugt und in
(las Gehäuse hineingedrückt wird, wie es bei allen Sang- und Druckpunipen der Fall
ist. Es ist claher ini Raum io, der, weil (-las Saugrohr sich unten befindet, eine
Luftkaminer mit dein oberen Teil bildet, sowie in den Räumen i i und 12 ein
Unterdruck (nicht höher als 8 in Atiii.). und es ist im Gehäuse i ein Überdruck,
der um so höher steigt, je
g i-i;liei- die F#irderhöhe ist. Praktisch
kann ein ('berdr(ICk Von 1, 2j# in Wassersäule ( d. h. ungef,-*ihr
12 Atm.) erreicht werden. Dieser hilt sich, solange das Ventil 15 auf seinem Sitze
bleibt. Nimmt man nun an, (laß sich in einem bestimmten Punkte des Aufwqrtshubes
des rechten Kolbens das Ausgleichsventil i.# iiffnet, so wird in diesem Falle das
Gehäuse i in Verbindung mit der Kammer i i gebracht und die Drücke im Gehäuse i
und Kammer i r werden einander gleich, während der Unterschied der Drücke zwischen
den Kaminern 10 Und T i das Ventil 14 veranlaßt, auf seinen Sitz zu fallen
und die Verbindung zwischen
den beiden Kammern io und ii zu sperren,
so (laß, während in Kammer i i ein Überdruck vorliegt, in Kammer io ein Unterdruck
vorlianden ist, welcher dem Wasser der Satigsäule seine Bewegung beibehaiten läßt.
Nach dieser Feststellung wollen wir sehen, was sich bei der allmählichen Bewegung
des rechten Kolbens ereignet. Da dieser das darüber befindliche Wasser in das Gehäuse
i drückt, von wo es durch das Ausgleichsventil 15 in die Kammer i i und durch
die Kanäle 141 in die Kammer 12 und von hier durch die Saugve-itile 221 dringt,
so füllt es den beim Bewegen cles Kolbens sich unter ihm befindlichen Raum. In einem
solchen Falle wird die Purnpenarbeit auf passive Widerstände beschränkt.
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Wenn die Pumpe statt einer großen Druckhöhe das Wasser nur auf geringe
Höhe zu bringen hat, können der Steg 9 und das Ventil 14 wegbleiben. In diesem
Falle bleibt der lZaum 12 in unmittelbare Verbindung mit der Kammer, die durch den
Zylinder und die Wände 7 und 8 begrenzt wird, und diese wieder ist
durch (las Ausgleichsventil 15 mit dein Gehäuse i verbunden. Eine'solche Vereinfachung
ist nicht möglich, wenn die Saug-Säule lang oder die Drucksäule hoch ist, umsomehr,
als durch das Schließen des Aus-Cyleichventils 15 nicht nur das Wasser im Saugrohr
gehalten, sondern außerdem mit Rücksicht auf (las Gleichgewicht zwischen den beiden
elastischen Kissen, die durch die Luftkammern gebildet werden, eine Verminderfing
in der Pumpenleistung erhalten wird, bis sie bei einer Überförderung über einen
bestimmten Betrag hinaus auf Null sinkt. In diesem Falle muß die innere Luftkammer
der Pumpe beseitigt werden, was dadurch erreicht wird, daß man die Höhe der unteren
Schale 46 des Ausgleichventils 15 verkleinert und eine Luftlzainiiier in
dein Satigrohr schafft, die von der Pumpe durch ein selbsttätiges Ventil getrennt
ist.
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Die öffnung des Ausgleichventils 15 wird durch den nach Art eines
Kreisringsegments ausgebildeten Nocken 25 bestimmt, der an dem Balancier
befestigt ist oder mit diesem aus einem Stück besteht. Der Nocken hebt bei Berührung
mit dem Flansch 4:2 diesen an und veranlaßt den Daumen 41 auf die Rolle :27 zu drücken
und folglich das Ausgleichv#nfil an den Zapfen 34 zu lüften. Wenn der Arm 40 sich
um das Lager 22- dreht, so kommt der TKocken 25, entsprechend der Lage, welche
der Arm 4o annimmt, früher oder später mit der Rolle des Flansches 42, in Berührung,
so daß das Atisgleichventil an Yerschiedenen Stellen des Kolbenhubes angehoben wird.
Der schwingende Arm 4o wird bei Bewegung des Kolbens 37 durch die Verbindungsstange
39 verschoben. Wenn der Kolben 37 seine höchste Stellung erreicht
hat, so berührt Nocke 25 den Flansch 4:2 nicht mehr, und die Pumpe arbeitet
vollbelastet wie eine gewöhnliche Saug- oder Druckpumpe.
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Da die Umlaufgeschwindigkeit eines Windrades der Windgeschwindigkeit
proportioniert ist, so ist der Lieferungsgrad einer von einem Windmotor angetriebenen
Pumpe gleichfalls der Windgeschwindigkeit proportioniert. Angenommen, es entspräche
der tiefstmöglichen Stellung des Kolbens 37 ein solcher innerer Winkel des
Xrmes, daß sich das Ausgleichventil öffnet, z. B. nach einem Hub von 4cm des rechten
Kolbens, so wird dasselbe öffen bleiben während des restlichen Hubes dieses Kolbens
und für den linken Kolben bis 4cm vor dessen Hubende. Anders ausgedrückt wird die
Pumpe denselben Lieferungsgrad wie die gebräuchlichen zweizylindrigen Pumpen von
gleichem Durchmesser und 4 cm Hub haben. Es sei vorausgesetzt, Kolben
37 gleite reibungslos in dem Rohr 36, dichte jedoch vollkommen gegen
die Wandung ab. P bedeute das Gewicht der eingetauchten Kolben und Verbindungsstange
(wobei das Gewicht des Schwungarmes unberücksichtigt bleibt), und die untere Kolbenfläche
werde in cm-' gemessen. Ferner sei angenommen, daß der Kolben in seiner Stellung
ein Loch in der Wandung des Rohres 36
unbedeckt läßt. Nach den Formeln für
Ausflußöffnungen mit scharfen Kanten ergibt sich die sekundlich ausströmende Wassermasse
zu q = nA 1/ 2git, darin sind n und g zwei Konstante, li, stellt
die Druckhöhedifferenz des Wassers im Gehäuse und in der Drucksäule dar, bei der
eine Liefermenge q aus dem Loch ausfließt. A bedeutet den Querschnitt
des Loches. Aus der Formel gewinnt man .
hierin läßt sich nIA' 2g als konstanter Wert auffassen und mit
bezeichnen, damit wird: A -- cq2, d. h. die Füllung oder besser Druckhöhendifferenz,
die erforderlich ist, um aus dein Loch vom Otierschnitt A die veränderliche
Liefermenge q zu erhalten, ändert sich direkt -proportional mit dem Ouadrat der
Lieferungsmenge. Diese Fül7lung, welche wir in dem Gehäuse der Dr#clzsäule und der
Luftkammern
21 haben, wird in Meter Wassersäule gemessen. Rechnet
man auf Kilogramm uni, so erhält man, wenn p den Partialdruck kg/cm2 bezeichnet,
Die Druckdifferenz wirkt auf jede Flächeneinheit der unteren Fläche des Kolbens
37.
Wird diese Kolbenfläche mit A, bezeichnet, so wirkt also eine Gesamtdruckkraft
Diese Druckkraft versucht, den Kolben zum Gleiten zu bringen, welcher jedoch in
seiner Lage verharrt, bis das Eigengewicht des Kolbens P kleiner als A, p
='
geworden ist.
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Mit der Zunahme der Windgeschwindigkeit jedoch und infolge von
q, wächst p direkt proportional, so daß nach einer bestimmten Zeit
p größer als
ist. In diesem Falle wird der Kolben 37 aufwärts getrieben. Bei dieser Bewegung
wird jedoch ein anderes Loch frei, und zugleich ändert sich der innere Winkel des
Schwungarmes und verlingert den Arbeitshub der Kolben, womit eine höhere resultierende
Leistung L, Hand in Hand geht. In dieser Stellung geht entweder die ganze Lieferungsmenge
unter dem Druck p durch den Querschnitt des unbedeckten Loches, so daß ein
Ausgleich
eintritt, oder es stellt sich ein anderer Druck ein, der einen andern Kolbenatiftrieb
hervorruft, so daß weitere Löcher frei werden und die Lieferungsmenge zunimmt, bis
die Geschwindigkeit des Motors und die Lieferungsmenge nicht mehr im Gleichgewicht
stehen., so daß die ganze Lieferungsmenge mit einem Druck durch die frei gewordenen
I.;icber striiint,
oder bis die resultierende Leistung.L, größer als die mittlere Leistung L", ist.
Ist dieser Zustand erreicht, so nimmt die Umdrehungszahl des Motors wieder ab, so
daß eine Verminderung der Liefermenge und folglich ein Sinken des Kolbens und eine
Verkleinerung des Hubes eintritt, bis der Gleichgewichtszustand wieder hergestellt
ist. Wird nach diesen Feststellungen bei der Berechnung der Lochquerschnitte bestimmt,
daß die Liefermenge immer gerade bei den verschiedenen Windgeschwindigkeiten die
ganze Motorkraft aufzehrt, so wird nur dann Gleichgewichtszustand erreicht sein,
wenn L. == L, ist.
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Wenn der Maximalhub erreicht ist -. darf das Segment
25 nicht länger auf die Rolle oder den Flansch 4:2 einwirken und dadurch
die Bewegung des Gleitstückes und die öffnung des Ventiles 15 verursachen. 'Nunmehr
arbeitet die Pumpe wie alle andern und ihre Liefermenge wachst mit derUmlaufgeschwindigkeit
des Windrades, weiche durch die Einwirkung eines die Zentrifugalkraft des Motors
steuernden Reglers ein absolutes Maximum. nicht überschreiten kann. Bei dieser Grenzgeschwindigkeit
sollen alle frei gewordenen Ucher bei einer bestimmten Füllung oder Ladung der ganzen
Lieferungsmenge freien Durchgang gestatten. Das Ventil 15, das durch die im Gehäuse
herrschenden Drücke ausbalanciert ist, hindert in keiner Weise das #)ffnen, und
die Feder hat 'nur das Aufsitzen beim Eintritt des Saugvorganges, der ein
Ab-
heben vorn Sitz verursacht, zu sichern. Die Federspannung ist stets sehr
gering. Ist das Wasser durch die Zylinderlöcher 36 hindurchgetreten, so fließt
es in die Luftkammer 21 und von dort im Steigrohr 44 aufwärts entweder unmittelbar
oder bei großer Steigung durch ein Absperrventil 45.