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Tiefbrunnen-Kolbenpumpe Bei gegebenem "Zylinderdurchmesser und Kolbenhut>
wäre an Gestängepumpwerken eine Leistungssteigerung nur durch Vergrößerung der Kolbengeschwindigkeit
bzw. der Hubzahl möglich. Bei Tiefbrunnenpumpwerken, bei welchen sich in der Regel
kein Windkessel unmittelbar über dem Zylinder anbringen läßt, wachsen die Kräfte,
die zur Massenbeschleunigung der hohen Flüssigkeitssäule, des langen Gestänges und
des oft sehr schweren Ausgleichsgewichtes erforderlich sind, im quadratischen Verhältnis
mit der Hubzahl.
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Bei Steigerung derselben über ein bestimmtes Maß führen die Beschleunigungskräfte
zu schädlichen Stößen im Getriebe. Die Hubzahl läßt sich aber meistens nicht mehr
steigern, denn die Haltbarkeit aller Teile des Pumpwerkes, vom Kolben bis zum Motor,
würde durch Steigerung der Hubzahl stark gefährdet. Hier sollen Maßnahmen gemäß
der Erfindung Abhilfe schaffen, so daß noch eine erhebliche Steigerung der Hubzahl
ermöglicht wird.
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Die Maßnahmen bestehen darin, daß an den dafür geeigneten Stellen
des Pumpwerkes Federungen und Gleitkupplungen'eingeschaltet werden, welche die Stöße
dämpfen bzw. verhindern, daß solche entstehen, und welche Überlastungen ausschließen:
Die gleichen Maßnahmen können an Gestängepumpwerken aller Art, so auch an Pumpwindturbinen,
welche mit auf und ab gehendem Gestänge arbeiten, angewendet werden.
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Die erste dieser Maßnahmen ist die Einschaltung einer Federung dort,
wo das Getriebe des Pumpwerkes an der Kolbenstange bzw. dem Gestänge, welches tief
hinab in den Brunnen führt, angreift.
Auch im Gestänge selbst kann
eine derartige Federung eingeschaltet werden.
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Abb. i zeigt eine derartige Maßnahme. Es ist über dem Tiefbrunnenabschlußkopf
i im Gestänge 2 und 3 eine Feder 4 eingeschaltet, welche nur dann nachgibt, wenn
die Zugkraft zu groß wird. Dies kann z. B. beim Antrieb durch Windkraft eintreten,
wenn bei starken Windstößen durch schnelleren Antrieb des Windrades eine größere
Hubzahl entsteht. Die Feder 4 ist dabei in einem rohrartigen Gehäuse 5 untergebracht.
Dieses wird von dem oberen Gestänge 2 auf und ab bewegt. Aufwärts wird die Scheibe
6 hochgezogen. Auf derselben steht die Druckfeder 4. Diese drückt gegen die ,Muttern
7, welche das untere Gestänge 3 mit hochnehmen. Wenn bei zu großer Hubgeschwindigkeit
die Kraft zu groß wird, gibt die Feder 4 nach, die Scheibe 6 hebt sich von dem Gummipuffer
8 für kurze Zeit ab. Die Beschleunigung des Gestänges 3 wird etwas verzögert, so
daß keine Stöße entstehen.
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Abb. 2 zeigt den abgefederten Angriff einer Traverse io an der Kolbenstange
i 1. Diese bewegt einen Tauchkolben 12, und darunter das Gestänge 13, welches zum
Kolben eines Tiefbrunnenarbeitszylinders führt. Die Traverse io wird durch die beiden
Pleuelstangen 14 des Pumpengetriebes bewegt. Sie ist zwischen den beiden Druckfedern
15 und 16 eingespannt. Beim Hochgang der Traverse io wird die Feder 16 stärker belastet,
während die Feder 15 dementsprechend entlastet wird. Beim Abwärtsgang wird die Feder
15 stärker belastet, während die Feder 16 etwas entlastet wird. So schiebt sich
die Traverse io auf der Kolbenstange i i bei jedem Hub ein wenig auf und ab. Das
Pumpwerk kann infolge der Federung erheblich schneller arbeiten als ohne dieselbe.
Es entstehen dabei keine Stöße, und die Leistung kann durch diese Maßnahme sehr
gesteigert werden.
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Abb. 3 zeigt ein Tiefbrunnenpumpwerk mit einem geradführenden Hebellenker.
Der Motor 30 treibt über die Gleitkupplung 31 und den Keilriementrieb 32,
33, die Zahnräder 34, 35. Am Rade 35 sitzt der Kurbelzapfen 36, der mit der Pleuelstange
37 den Lenkerhebel 38 in schwingende Bewegung versetzt und dadurch den Kolbenstangenbolzen
39 mit dem Kolbenstangenauge 4o auf und ab bewegt. An diesem sitzt das rohrartige
Federgehäuse 41, welches mit einem Ring 42 endet. Dieser Ring umfaßt lose die Kolbenstange
43 und trägt die Feder 44, welche oben gegen den Bund 45 der Kolbenstange 43 drückt.
Unter dem Ring 42 sitzt die Feder 46. Sie drückt nach unten gegen die Muttern 47,
welche auf der Kolbenstange 43 sitzen. Darunter folgt der Kolben 48. Er arbeitet
im Ausgleichzylinder 49. Mit der 'Gestängekupplung So ist das Gestänge 51 an der
Kolbenstange 43 befestigt. Das Gestänge bewegt den Kolben des Arbeitszylinders,
welches tief unten im Brunnen sitzt, auf und ab.
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Die aus den Teilen 4o bis 47 bestehende federnde Kolbenstange ist
so gestaltet, daß sie an die Stelle einer starren, gewöhnlich gebräuchlichen Kolbenstange
gesetzt werden kann. Es ist dieses eine Maßnahme, die leicht nachträglich angewendet
werden kann, wenn man nach Inbetriebsetzung eines Pumpwerkes gewahr wird, daß im
Getriebe schädliche Stöße entstehen.
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Bei einem sehr tiefen Brunnen wird der untere Kolben im Arbeitszylinder,
sobald er von Abwärtsgang wieder hoch geht, plötzlich mit der hohen Wassersäule
im Steigrohr 52 belastet. Er muß nicht nur das Gewicht derselben heben, sondern
auch diese Wassersäule vom ruhenden Zustand aufwärts in Bewegung bringen, beschleunigen.
Die Kraft, die dazu erforderlich ist, wächst mit dem Quadrat .der Geschwindigkeit
bzw. der Hubzahl pro Minute. Am größten ist die Kraft kurz nachdem der untere Totpunkt
durchlaufen ist. Bei zu großer Hubzahl gibt es darin bei jedem Hub einen Stoß im
Gestänge 51, der sich über den Hebel 38 und alle Getriebeteile bis zum Motor fortpflanzt.
Die Feder 44 hat deshalb die Aufgabe, diesen Stoß aufzufangen. Sie wird um einige
Millimeter bis zu einigen Zentimetern zusammengedrückt. Die Beschleunigung wird
dadurch in dem Augenblick, wenn sie zum Stoß zu führen droht, verlangsamt, so daß
kein Stoß entsteht. Alle Getriebeteile und der Motor «-erden dadurch geschont, und
es ist eine größere Hubzahl zulässig. Bis zur Erreichung des oberen Totpunktes dehnt
die Feder 44 sich wieder aus, so daß fast nichts von der Hublänge verloren geht.
Beim Abwärtsgang des Hebels 38 wird durch den Ring 42 die untere Feder 46 zusammengedrückt,
weil der Kolben 48 heruntergedrückt wird. Auch hierbei könnte ohne die Feder ein
Stoß entstehen.
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Der Ausgleichszylinder 49 hat mit seinem Kolben 48 die Aufgabe, sowohl
das Wasser im Druckrohr 53 gleichmäßiger zum Abfluß zu bringen, als auch die beim
Aufwärts- und Ab,#N-ärtsgatig des Gestänges verschieden großen Kräfte auszugleichen.
Bei sehr großer Förderhöhe unter Tage und geringer Förderhöhe über Tage ist das
aber nicht immer möglich, und man wendet deshalb oft sehr schwere Gegengewichte
an, welche beim Abwärtsgang des Gestänges gehoben werden. So wirkt hier das Gegengewicht
54 am Hebel 55. Der letztere ist parallel zum Lenkerhebel 38 angebracht.
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Bei schnellerer Gangart des Pumpwerkes geht das Gegengewicht mit seiner
großen Masse schnell auf und ab, und man kann sich vorstellen, daß dabei erhebliche
Beschleunigungskräfte entstehen, die vom Getriebe aufgenommen «-erden müssen.
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Der Gegengewichtshebel greift deshalb am Kolbenstangenbolzen 39 gelenkig
an und liegt auf der Druckfeder 56, welche sich auf dein Hebel 38 abstützt. So kann
der Hebel 55 im Verhältnis zum Hebel 38 ein wenig schwingen. Die Feder 56 vermindert
die Beschleunigungskräfte für das Gewicht 54 so, daß sie sich nicht schädlich auf
das Getriebe auswirken. Dieselbe Wirkung kann auch dadurch erreicht werden, daß
der Gewichtshebel 55 selbst als Feder, z. B. als Blattfeder, ausgebildet
würde.
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Schließlich kann die Gefahr der Stoßbildung noch durch Einschaltung
einer Gleitkupplung zwischen dem Motor und dem Getriebe beseitigt werden. Beim Pumpwerk
gemäß Abb. 3 ist die Keilriemenscheibe, welche auf dem Motor sitzt, durch eine
Gleitkupplung
3i mit dem Wellenstumpf des Motors verbunden. Besser, aber teurer wäre es, eine
solche Gleitkupplung an der Keilriemenscheibe 33 anzubringen, denn dann würde der
Riementrieb noch mehr geschont.
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Von besonderer Bedeutung ist die letztere Maßnahme beim Antrieb von
Gestängepumpen durch Windturbinen, weil bei solchen oft durch Böen plötzlich übergroße
Kräfte und Drehgeschwindigkeiten entstehen, wenn die Regulierung der Turbine nicht
schnell genug wirkt. Die Erfindung führt hier zum Bau eines neuartigen Windrades,
dessen Nabe als Gleitkupplung ausgebildet ist.
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In Abb. 4 ist 6o die Windradwelle, die im Getriebegehäuse 61 der Windturbine
gelagert ist. Auf der Welle 6o sitzen durch Federkeil gehalten zwei innere Naben
62 und 63. Diese tragen auf konischen Reibflächen die äußere Nabe 64. An dieser
sitzen die Speichen 65 des N\'indrades. Die Konen der inneren Naben 62 und 63 werden
mittels Federn 66, der Scheibe 67 und der Mutter 68 auf der Welle 6o mit einem bestimmten
Druck, der durch die Federspannung gegeben ist, gegeneinander geschoben, so daß
sie mit einem bestimmten Anpreßdruck in die Konen der äußeren Nabe 64 gepreßt werden.
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Die Federn 66 sind so bemessen und gespannt, daß der Anpreßdruck eine
so große Reibung verursacht, daß die mit der Gestängepumpe belastete Windradwelle
noch bei der für diese höchst zulässige Drehzahl vom Windrad mitgenommen wird, daß
aber ein Gleiten der äußeren Nabe auf den Konen der inneren Naben entsteht, sobald
ein zu schneller Antrieb der Pumpe und somit zu große Kräfte auftreten würden.
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Auch mit dieser Einrichtung ist man imstande, die Leistung des Windkraftpumpwerkes
erheblich zu steigern, weil man die Übersetzung zwischen Windrad und Pumpe so wählen
kann, daß die Pumpe bereits bei schwachem Winde und geringerer Drehzahl des Windrades
auf eine normale Hubzahl kommt.