HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Verringern der
beim Betrieb einer Hydraulikpumpe, wie einer für
Axialströmung konzipierten Verdrängungsrotationspumpe, erzeugten
Geräusche.
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Flüssigkeitspumpende Anlagen erzeugen eine Welligkeit in der
Strömung, die als Schwankung des aufgebrachten Drucks
gemessen wird. Es ist erforderlich, die Größe dieser Pulsation zu
kontrollieren, um ein Fluidpumpsystem ohne übermäßige
Geräusche, Schwingungen und schließlichen Anlagenausfall zu
betreiben.
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Geräuscharmer Betrieb von Flüssigkeitspumpsystemen erfordert
Verfahren zum Kontrollieren der von der Pumpe erzeugten
Druckpulsationen. Die heutige Praxis geht dahin,akustische
Vorrichtungen zu verwenden, die in eine oder mehrereder
folgenden Kategorien fallen:
1. Expansionskammern oder große Volumina.
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Diese arbeiten
über einen großen Frequenzbereich gut, jedoch benötigen sie
notwendigerweise große Druckgefäße, und es besteht die
Tendenz, daß sie sehr schwer und teuer sind.
2. Gasgefüllte Druckspeicher.
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Diese erzielen in
Niederfrequenzbereichen gute Geräuschverringerung, jedoch haben sie
den Nachteil, daß sie Wartung benötigen, und es besteht die
Tendenz, daß sie teuer sind.
3. Helmholtzresonatoren.
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Diese erzielen über ihrer
Resonanzfrequenz eine wirkungsvolle Dämpfung, jedoch fallen sie
wegen ihrer Größenbegrenzung bei niedriger Frequenz aus, und
sie sind zu teuer.
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Im allgemeinen besteht die Tendenz, daß die meisten zur
Verfügung stehenden Verfahren mehr Dämpfung als erforderlich
liefern und zu teuer für konkurrenzfähige Anwendungen sind.
Demgemäß gelingt es nicht, Geräuschschwierigkeiten zu
überwinden.
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Pumpen der angegebenen Art finden beim Betrieb hydraulischer
Aufzüge, wie z. B. in Hotels oder Apartmenthäusern, wo
Geräusche auf dem absoluten Minimum gehalten werden müssen,
und zwar wegen derjenigen Bewohner, deren Unterkünfte nahe
dem Aufzugsschacht liegen, wichtige Anwendung. Die Pumpe in
einem solchen System ist in einen Sumpf eingetaucht, und
selbstverständlich wird jede Pulsation beim Pumpenbetrieb
direkt und hydraulisch an den Kolben oder ein anderes
endbenutztes Stellglied des Systems übertragen; die
Betriebsdrücke liegen in der Größenordnung einiger hundert Pfund pro
Quadratzoll, und ferner können Geräusche über eine
Leitungsanordnung, die die Pumpe mit dem endbenutzten Stellglied
oder den Stellgliedern verbindet, an eine Trägerstruktur
übertragen werden. Um wirkungsvolle
Geräuschverringerungstechniken auf eine Leitungsanordnung anzuwenden, ist ein
kundenspezifisches Konzept erforderlich, was
unwirtschaftlich sein kann und dies auch häufig ist, da es sich um ein
Erfahrungserzeugnis unter Anleitung durch nicht ausreichend
geschicktes Installationspersonal handelt. Wenn einmal
Geräusche in der Leitungsanordnung zugelassen sind, umfaßt das
Problem einer Geräuschverringerung sowohl
flüssigkeitsübertragene Geräusche als auch durch die Konstruktion
übertragene Geräusche, die sich über das Material der
Leitungsanordnung fortpflanzen. Durch die Konstruktion übertragene
Geräusche hohen Pegels können häufig zu durch die Luft
übertragenen Geräuschen von hohem Pegel führen.
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Allgemein gesagt, ist eine Pumpe mit drei Schrauben unter
der von Imo Pump Division von Imo DeLaval Inc., Monroe,
Nordcarolina, käuflich erhältlichen Auswahl für Anwendungen
der bezeichneten Art erwünscht. Diese Pumpe mit drei
Schrauben ist eine Druckrotationspumpe mit
Axialströmungskonstruktion. Die zentrale der drei Schrauben wird von einem Motor
angetrieben, und die zwei weiteren Schrauben sind
leerlaufende Schrauben, die mit einander diametral
gegenübestehenden Teilen der angetriebenen, mittleren Schraube kämmen,
wobei die leerlaufenden Schrauben als Abdichtungselemente
wirken, die hydraulisch vom gepumpten Fluid angetrieben werden.
Die Rollwirkung, die für die Reaktion der leerlaufenden
Schrauben auf das Hydraulikfluid charakteristisch ist, ist
für eine kontinuierliche, nichtpulsierende Axialströmung
verantwortlich, die, im Fall eines endbenutzenden Aufzugs,
zu gleichmäßiger Aufzugsfahrt führt, jedoch kann die
gleichmäßige Fahrt nicht das Vorliegen hydraulisch transportierter
Geräusche verdecken, die immer unerwünscht sind, selbst wenn
sie deutlich im Vergleich zu denen verringert sind, wie sie
von anderen Arten von Pumpensystemen ausgegeben werden.
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US-A-3,900,276 beschreibt eine Hydraulikpumpe mit einem
mechanischen Element, das innerhalb eines stationären Gehäuses
angetrieben wird und so arbeitet, daß es ein Hydraulikfluid
von einer Einlaßkammer in eine Auslaßkammer mit einem
Auslaßstutzen verdrängt, wobei die Auslaßkammer einen Körper
aus geschäumtem, elastomerem Material enthält.
KURZE AUSFÜHRUNG ZUR ERFINDUNG
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Es ist erwünscht, eine verbesserte Hydraulikpumpenstruktur
der bezeichneten Art zu schaffen, die über eine eigene
Maßnahme zur Geräuschverringerung verfügt, um durch diese
hydraulisch und/oder rohrleitungsmäßig übertragene Geräusche
in einem von der Pumpe versorgten Hydrauliksystem zu
verringern,
wobei dies mit einer relativ einfachen, billigen
Struktur erzielt werden soll, die sich für die Verwendung
bei vorhandenen Pumpenkonzepten eignet.
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Ferner ist es erwünscht, eine derartige geräuschverringernde
Struktur zu schaffen, bei der eine enthaltene Struktur das
Produkt herkömmlicher Spritzgießtechniken sein kann, wobei
käuflich erhältliche Elastomere verwendet werden, um eine
wirkungsvolle, billige, wartungsfreie Unterdrückung von
flüssigkeitsübertragenen Geräuschen in der Größenordnung von
6 bis 10 dB über ein breites Frequenz band vor der Ausgabe
aus der Pumpe zu erzielen.
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Die Erfindung schafft demgemäß ein geräuschabsorbierendes
Medium als Einsatz innerhalb des Innenvolumens der Auslaß
kammer einer Hydraulikpumpe. In einer
Axialströmungs-Verdrängerpumpe ist dies die Kammer, in die das gepumpte
Hydraulikfluid ausgegeben wird, und zwar für Zuführung über
einen Seitenstutzen zu einem Leitungssystem, das einen
endbenutzenden Aufzug oder eine andere Gebrauchskomponente
eines betroffenen Hydrauliksystems versorgt. Das
geräuschabsorbierende Medium ist ein vorgeformter Körper (oder es sind
Körper) aus geschäumtem elastomerem Material mit einer
abgedichteten Außenhaut, das winzige, geschlossene Zellen
mit eingeschlossenem Gas unter niedrigem Druck enthält; das
innerhalb des Körpers eingeschlossene Gas macht einen
vorgegebenen Volumenbruchteil des Gesamtvolumens des Körpers aus,
und das Gesamtvolumen des Körpers macht ebenfalls einen
vorgegebenen Anteil des Gesamtvolumens der Auslaßkammer aus.
DETATLLIERTE BESCHREIBUNG
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Veranschaulichende Ausführungsbeispiele in einem bevorzugten
Zusammenhang werden in Verbindung mit den beigefügten
Zeichnungen im einzelnen beschrieben, in denen:
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Fig. 1 ein vereinfachter Längsschnitt durch eine
Axialströmungs-Verdrängerpumpe mit drei Schrauben ist, die eine
erfindungsgemäße Maßnahme zur Geräuschverringerung enthält;
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Fig. 2 ein Schnitt entlang 2-2 in Fig. 1 ist;
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Fig. 3 eine axiale Stirnansicht eines
Geräuschverringerungselements in Fig. 1 ist;
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Fig. 4 eine Seitenansicht des Geräuschverringerungselements
in Fig. 3 ist;
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Fig. 5 eine längsgeschnittene Teilansicht zum
Veranschaulichen der Erfindung in Anwendung auf eine andere
Axialströmungs-Verdrängpumpe ist;
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Fig. 6 ein Schnitt durch die Konstruktion von Fig. 5 im
wesentlichen entlang der Ebene 6-6 in Fig. 5 ist, und sie
zeigt, daß der Schnitt von Fig. 5 im wesentlichen entlang
der Linie 5-5 in Fig. 5 liegt.
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Fig. 7 ein Längsschnitt zum Zeigen einer Einzelheit eines
der zwei Geräuschverringerungselemente in den Fig. 5 und 6
ist;
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Fig. 8 eine Stirnansicht des Geräuschverringerungselements
in Fig. 7 ist;
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Fig. 9 eine längsgeschnittene Teilansicht des angetriebenen
Endes einer Schraubenpumpe ist, um ein weiteres
Ausführungsbeispiel der Erfindung zu zeigen;
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Fig. 10 eine Ansicht ähnlich der von Fig. 1 ist, jedoch für
ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
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Fig. 11 eine Ansicht ähnlich der von Fig. 2 ist, jedoch für
das Ausführungsbeispiel von Fig. 10, entlang 11-11 in Fig.
10.
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In Fig. 1 ist die Erfindung in Anwendung auf eine sogenannte
hydraulische Verdrängerpumpe mit drei Schrauben angewandt,
die innerhalb eines langgestreckten Gehäuses 10 einen
mittigen, langgestreckten Leistungsrotor 11 mit zweigängigen,
rechtsgängigen, schraubenförmigen Rillengebilden und zwei
ähnliche langgestreckte, leerlaufende Rotoren 12, 12'
enthält, die zur Mittelachse des Leistungsrotors 11 einander
diametral gegenüberstehend angeordnet sind. Die
leerlaufenden Rotoren 12, 12' weisen ebenfalls zweigängige
Rillengebilde auf, mit derselben Ganghöhe wie der der Rillen des
Leistungsrotors, und die kontinuierlich mit diesem kämmen,
wobei zu beachten ist, daß die Axialversätze der
leerlaufenden Rotoren dergestalt ist, daß die Außendurchmesser dieser
leerlaufenden Rotoren dergestalt sind, daß diese
leerlaufenden Rotoren mit dem Kerndurchmesser der Rillengebilde des
Leistungsrotors kämmen.
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Die Pumpe von Fig. 1 ist für das Eintauchen in eine
Flüssigkeit konzipiert, die von einem Einlaßende 14 zu einer
Auslaßkammer 15 zu pumpen ist, die gemäß der dargestellten Form
durch ein tassenförmiges Gehäuseverschlußteil 16 mit einem
im wesentlichen zylindrischen Mantel mit einem Seitenstutzen
17 zur Ausgabe der gepumpten Flüssigkeit gegeben ist.
Einander diametral gegenüberüberstehende Anschläge 13, 13' sind
einstückig mit dem Verschlußteil 16 ausgebildet und stehen
ausgehend von der Wand der Kammer 15 radial nach innen. Die
Verschlußwand 18 des Teils 16 verfügt über eine Bohrung und
eine Gegenbohrung zum Festlegen einer Schulter zum
Positionieren eines geeignet abgedichteten Antireiblagers 19 zum
Halten des angetriebenen Endes 20 des Schafts, der einen
einstückigen Teil des Leistungsrotors 11 bildet. Es ist zu
beachten, daß die Flanschausbildung 21 des Teils 16 für
einen in Umfangsrichtung beabstandeten, verschraubten
Zusammenbau mit einem (nicht dargestellten) Elektromotor
durchbohrt sein kann, mit verkeiltem Antriebseingriff der
Anordnung zum Schaftende 20.
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Die Beschreibung der käuflich erhältlichen Pumpe mit drei
Schrauben von Fig. 1 wird für die aktuellen Zwecke dadurch
abgeschlossen, daß auf eine Druckplatte 22 für das
Einlaßende des Leistungsrotors 11 hingewiesen wird. Die Platte 22
ist über Buchsen 23 mit dem Einlaßende des Gehäuses 10 so
verstiftet, daß geräumiger Einlaßzutritt für die zu pumpende
Flüssigkeit besteht; die durchbrochene Endwand 24 und die
Mantelwand 25 eines herausnehmbaren Korbs sorgen für die
Halterung eines Seiersiebs 26, um das Fehlen von Feststoffen
in dem in die Pumpe eingelassenen Fluid zu gewährleisten.
Eine Umfangsklemme 27 ist eine Einrichtung zum wegnehmbaren
Halten des Korbs und des zugehörigen Siebs 26.
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Eine Geräuschverringerungsmaßnahme ist in Form einer
vorgeformten Dämpfungseinrichtung vorhanden, nämlich eines
Einsatzkörpers 30 innerhalb des Volumens der Auslaßkammer 15,
ohne daß eine strukturelle Neukonstruktion der Kammer
erforderlich ist. Beim Ausführungsbeispiel von Fig. 1 ist der
Einsatzkörper 30 im wesentlichen zylindrisch und
halbmondförmig, wie aus der Stirnansicht von Fig. 2 erkennbar, und
der halbmondförmige Querschnitt des Körpers 30 ändert sich,
wie aus der Seitenansicht von Fig. 3 erkennbar, als Funktion
des Orts in Längsrichtung, mit einer allmählichen Verjüngung
in der Längsrichtung zur Verschlußwand 18 hin. Der Körper 30
ist ein gegossenes Elastomer, das so gegossen ist, daß es
20 bis 35 Prozent seines Volumens als eingeschlossenes Gas
enthält, wobei das Gesamtvolumen des Körpers 30 im Bereich
von 0,1 bis 0,3 des Nutzvolumens der Kammer 15, d. h.
desjenigen
Kammervolumens liegt, wie es durch das notwendige
Vorhandensein des Schaftendes des Leistungsrotors 11 verringert
ist. Das Elastomer ist geeigneterweise, und vorzugsweise,
und damit die Kammer (15) einen Hydraulikdruck in der
Größenordnung von 1,7 bis 5,2 x 10&sup5; Nm&supmin;² über dem
Atmosphärendruck (250 bis 750 psig) aufnehmen kann, wobei die
Hydraulikflüssigkeit im Temperaturbereich von der
Umgebungstemperatur bis zu 82ºC (180ºF) liegt, ein sogenanntes
Hochleistungs-Polyestererzeugnis von Dupont unter dem Handelsnamen
HYTREL. Unter den zur Verfügung stehenden
Hochleistungsqualitäten ist HYTREL 6356 wegen seiner guten Beständigkeit
gegen Öle und Hydraulikflüssigkeiten und wegen seiner guten
Beständigkeit gegen Durchlässigkeit für Gase und
Flüssigkeiten bevorzugt. Das beim Gießen des Körpers 30 eingeleitete
Schäumungsmittel ist geeigneterweise ACTIVEX (R.T.M.), das
durch thermische Reaktion das Gas Kohlenstoffdioxid erzeugt,
um das Material HYTREL zu verdrängen und während des
Gießprozesses Gastaschen auszubilden; ACTIVEX ist ein Erzeugnis
von J.M. Huber Company, Havre de Grace, Maryland.
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Wie auch aus den Fig. 3 und 4 erkennbar, kann der
geräuschverringernde Körper oder Dämpfer 30 so gegossen sein, daß er
ein Verstärkungselement 31 enthält, das als zylindrisches,
gebogenes Stück eines Streckgitters dargestellt ist.
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Der Dämpfer mit dem eingeschlossenen Gas kann verschiedene
Formen annehmen, wie sie für den Innenverlauf spezieller
Auslaßkammerkonstruktionen geeignet sind und wie sie dazu
geeignet sind, für ein relatives breites Band gedämpfter
Frequenzen zu sorgen. Hinsichtlich des letzteren Zwecks wird
angenommen, daß die sich verjüngende zylindrische
Halbmondform beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1 bis 4 zu einer
maximalen Verteilung verschiedener Dicken führt, wodurch
vorherrschende Bereiche miteinander gegenüberstehenden
ebenen Flächen mit konstantem Abstand vermieden sind und
demgemäß
auch die Wahrscheinlichkeit für Resonanz bei
irgendeinem speziellen dimensionsbezogenen Abstand erheblich
verringert ist.
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Bei der Anordnung der Fig. 5 und 6 sind zwei ähnliche
schallabsorbierende Körper 33 an die diametral
entgegengesetzten Bögen des Innenvolumens eines anderen
Gehäuseverschlußteils 34 angeordnet, die eine Auslaßkammer 35
aufweist, die sich durch eine im wesentlichen konische Kontur
im radial außen liegenden Bereich ihrer Verschlußwand 36
auszeichnet. Es ist erkennbar, daß das Teil 34 einen
Innenflansch 37 zum Anbringen eines zugehörigen Pumpengehäuses 38
aufweist, und ein angeformtes, ringförmiges Teil 39 aus
Blech mit geeignet geformter Mittenöffnung sorgt für die
Anschlagsfunktion hinsichtlich der leerlaufenden Rotoren,
wie in Verbindung mit den Fig. 1 und 2 für 13, 13' erörtert.
Aus den Fig. 7 und 8 ist erkennbar, daß jeder der Körper 33
ein Gas einschließendes Gießerzeugnis ist, das einstückig
ein Verstärkungselement 40 aus einem Streckgitter enthält,
mit einem Radialflanschabschnitt 41 und einem zylindrischen,
gebogenen Flanschabschnitt 42. Der Radialflanschabschnitt 41
liegt nahe am Flansch 37 und parallel zu diesem; das andere
axiale Ende 43 des Körpers liegt axial entgegengesetzt und
entspricht einer kegelstumpfförmigen Wand der Kammer 35.
Eine zentrische, sich in Längsrichtung erstreckende Bohrung
44 im Körper 33 fällt mit einer Gewindebolzenöffnung 45 im
Verstärkungsteil 40 überein, so daß hinsichtlich jedes
Körpers 33 einer der Bolzen 46, der das Gehäuseverschlußteil 34
an seinem zugehörigen Pumpengehäuse 38 befestigt, zusätzlich
dazu dienen kann, die Anbringungsposition des Dämpferkörpers
beizubehalten. Obwohl die Körper 33 der Fig. 5 bis 8 nicht
die sich verjüngende Halbmondform der Fig. 1 bis 4
aufweisen, ist erkennbar, daß sie jeweils einander
gegenüberstehende Parallele Flächen vermeiden und demgemäß die
Wahrscheinlichkeit minimieren, daß sich bei Einzelfrequenzen
Resonanz entwickelt.
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Bei der alternativen Anordnung gemäß Fig. 9 ist die Form
eines Dämpfers 50 innerhalb der Auslaßkammer 15 von Fig. 1
als Torus erkennbar, der den Pumpenschaft 20 umgibt und von
diesem beabstandet ist und von einer geeigneten, offenen
Käfigstruktur 52 festgehalten wird, die bei 53 an die Wand
der Kammer 15 geklemmt oder auf andere Weise an dieser
festgehalten sein kann; wie dargestellt, umfaßt die
Käfigstruktur 52 ein geformtes, ringförmiges Teil eines Streckgitters,
das in Umfangsrichtung tellerförmig ausgebildet ist, mit
verschweißtem Zusammenbau mit mehreren Klemmschellen 53, von
denen in Fig. 9 nur eine erscheint. Eineselbsthemmende
Schraube 54 befestigt jede Klemmschelle am Verschlußteil 16.
Der torusförmige Dämpfer 50 muß mit keiner Verstärkung
gegossen sein, da die Haltestruktur 52, 53 für
zweckentsprechende Halterung sorgt. Jedoch bleiben dievorzugswerte für
das Dämpfvolumen und die Beziehungen für das innerhalb des
gegossenen Elastomermaterials eingeschlossene Gasvolumen in
denselben Bereichen, unabhängig davon, was die Geometrie
eines einzelnen Dämpferkörpers oder von Dämpferkörpern ist.
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Es ist erkennbar, daß das Ausführungsbeispielder Fig. 10
und 11 dem der Fig. 1 und 2 ähnlich ist, mitder Ausnahme,
daß das Dämpferelement 55, das beim Dämpfer 30 der Fig. 1
und 2 im wesentlichen zylindrische Halbmondform aufweist,
tatsächlich ein unverstärkter, dauerhaft angegossener
Bestandteil des Endverschlusses 16 ist, der entweder in
Übereinstimmung an den Verlauf der angrenzenden Innenwand der
Kammer 15 vor einer Klebeverbindung damit vorgeformt wurde,
oder in situ an die Kammerwand angegossen wurde, als
Endvorgang bei der Herstellung der Endverschlußkomponente 16.