WO2014102419A1 - Bomba de engranajes con cámara de amortiguación de pulsaciones de presión en la cámara de aspiración para reducción de ruido y vibraciones - Google Patents

Bomba de engranajes con cámara de amortiguación de pulsaciones de presión en la cámara de aspiración para reducción de ruido y vibraciones Download PDF

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    • F04C2/12—Rotary-piston machines or pumps of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing of other than internal-axis type
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    • F04C15/0042—Systems for the equilibration of forces acting on the machines or pump
    • F04C15/0049—Equalization of pressure pulses

Definitions

  • Application US2007 / 0178003 A1 refers to a noise and vibration damping device for gear pumps located in the gear zone, in order to reduce the pressure pulsations at the pump outlet, unlike the present application which is a device located in the suction chamber designed to reduce said pulsations at the entrance.
  • the present invention relates to gear pumps and particularly gear pumps with low noise levels and pressure fluctuations.
  • Gear pumps generally comprise a defined gear chamber between a pair of side plates.
  • a pair of gears are accommodated in the gear chamber through rotation axes.
  • One of the axes is rotated, which rotates the gear linked to it, which, in turn, through the interaction between the teeth of both gears, rotates the other gear in the opposite direction.
  • An aspiration chamber and a discharge chamber are located on both sides of the gears, limited by the side plates, so that through the gear mechanism the fluid is absorbed from the aspiration chamber into the gear zone, and after being transported between the teeth of the gears and the walls of the gear chamber, it is discharged at higher pressure into the drive chamber.
  • An approach to the problem is to have a small camera connected to through a hole to the suction chamber.
  • this chamber there is a membrane that divides into two zones: a filled by working fluid and another filled with pressurized air.
  • the pressure difference between both sides of the membrane is absorbed by the deformation of the membrane.
  • the pressure fluctuations will produce deformations in the membrane, in such a way that the pressure peaks will be damped by the effect of the increase in the volume occupied by the hydraulic fluid, reducing the amplitude of the pulsations transmitted towards the entrance of the chamber.
  • the present invention consists of a gear pump in which a damping chamber communicates with the aspiration chamber in order to dampen the pressure pulsations generated in the gear zone adjacent to the aspiration chamber.
  • the invention includes a gear pump comprising a chamber with opposite side walls, a pair of gears arranged inside the chamber, whose teeth engage each other, a suction chamber and a discharge chamber on opposite sides of the gears, separated from each other by the gear zone, a conduit in one of the side walls of the suction chamber, perpendicular to it, which connects said chamber with another smaller damping chamber, separated into two subchambers through a flexible membrane parallel to the side plates of the suction chamber.
  • the sub chamber adjacent to the duct is filled with the fluid driven by the pump, while the other is filled with pressurized air. This dampens the pulsations of flow and pressure generated in the gear zone adjacent to the suction chamber, preventing them from being transmitted to the pump inlet.
  • the pulsation damping chamber will be considerably smaller in size than the aspiration chamber but will be large enough to effectively dampen pressure pulsations. It will communicate with the suction chamber through a small hole made in the pressure plate.
  • the sub chamber that is filled with hydraulic fluid will be machined on the side plate itself, while a housing, attached to the side plate by screws on the outside will form the sub chamber that is filled with air.
  • the membrane will be trapped between the housing that limits the air subchamber and the side plate, fixed by the aforementioned screws.
  • In the housing of the air subchamber It will have a valve that allows the introduction of pressurized air when necessary, so that the air pressure is adjusted so that the membrane is in an equilibrium position with a medium pressure of the hydraulic fluid in the suction chamber.
  • Fig 1 A section of a gear pump in a medium plane for the gears.
  • Fig 2 A view of a section along line 2-2 of Figure 1, in a plane perpendicular to the gears.
  • Fig 4 Graph comparing the pressure fluctuations at the input obtained by numerical simulation with and without cavitation effects.
  • FIGS 1 and 2 show the invention in detail about a typical gear pump.
  • the gear pump 10 has a housing 12 that encloses an inner gear chamber 14 which contains a pair of gears 16 and 18.
  • the housing includes a central body 20 in which the chamber 14 and the opposite side plates 22 are located. and 24.
  • the ends of the chamber 14 containing the gears 18 and 18 are closed by pressure plates 26 and 28 located on the inner sides of the side plates 22 and 24. It is typical in some gear pumps to find ⁇
  • the pressure plates are part of the housing plates.
  • seals 30 can be incorporated between the pressure plates and the side plates.
  • seals 32 may be arranged between the A pair of shafts 34 and 38 support the gears. These shafts fit into the final perforations 38 and 48 on the pressure plates.
  • the axes are parallel to each other.
  • the support shaft 34 extends through the side plate 26 outwardly to the housing 12, serving as a driving shaft for the rotation of the gear 16 which rotates in solidarity with the shaft.
  • a seal 46 may be included around the support shaft in the side plate.
  • the other support shaft 36 keeps the other gear 18 engaged with the driving gear 16, and will therefore be driven by it when it is rotated.
  • FIG 2 it is indicated by arrows ⁇ a direction of rotation of the driving and driven gears.
  • a suction chamber 50 and a drive chamber 52 are located on opposite sides of the gears.
  • the suction and discharge chambers are located respectively on the front and rear sides of the gears with respect to the directions of rotation.
  • the aspiration and imputation chambers are connected to the input ports 54 and output 56 respectively, provided for connection to the input and output lines.
  • the fluid introduced into the aspiration chamber 50 through the inlet port 54 is received in the volume between the teeth of the gears 18 and 18 facing the aspiration chamber, and is confined in the Defined interdentant spaces between the teeth of the gears and the inner surface 58 of the central body to be ejected into the discharge chamber.
  • the teeth of the conductive and driven gears involved in the supply of the fluid to the impeller chamber 52 are moved through the gearing zone of the gears until again an interdental volume faces the suction chamber, by Or which fluid is received between the teeth of the gears again for delivery to the drive chamber 52.
  • the filling process must be very fast, which causes strong pressure decreases in the area of the suction chamber.
  • a gear cycle ends, that is, when the point of contact between teeth closest to the aspiration chamber disappears as these teeth separate, a new interdental volume appears facing the aspiration chamber and limited by the point of contact between the next pair of meshed teeth, and is filled again with hydraulic fluid.
  • This cyclic process causes strong pressure pulsations in the suction chamber. These pulsations propagate towards the entrance of the suction chamber, producing noises and vibrations.
  • the present invention reduces pressure pulsations to a significantly greater extent than previous attempts. This is achieved by adding a pulsation damping chamber 70 and 71 coupled to the pump side plate or machined on the plate itself that communicates with the suction chamber through a hole 78 made in the pressure plate 28.
  • the Camera is divided into two subchambers. One 70 communicated directly with the suction chamber and therefore filled with hydraulic fluid, and another 71 separated from the first by an elastic membrane 75 and filled with air.
  • the hydraulic fluid subchamber is machined on the side plate 24 while the air subchamber is limited by a housing 74.
  • the housing will be attached to the side plate and the membrane by screws 77.
  • the volume of the pulsation damping chamber will be considerably smaller than that of the suction chamber, of the order of the interdental volume of the gears.
  • the two subchambers will be of similar size.
  • the air subchamber 71 will have a filling valve 79 through which air can be supplied to ensure the balance of the membrane at the nominal hydraulic fluid inlet pressure.
  • Figure 4 shows the results obtained by numerical simulations of the evolution of pressure fluctuations at the inlet of a gear pump similar to that of Figure 1 working at 1500 revolutions per minute throughout a gear cycle.
  • the black line shows the behavior when cavitation effects of the oil are not taken into account and the red line the behavior taking these effects into account.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Rotary Pumps (AREA)
  • Details And Applications Of Rotary Liquid Pumps (AREA)

Abstract

Bomba de engranajes que comprende una cámara con paredes laterales opuestas, un par de engranajes dispuestos en el interior de la cámara, cuyos dientes engranan entre sí, una cámara de aspiración y una cámara de impulsión en lados opuestos de los engranajes, separadas entre sí por la zona de engrane, un conducto en una de las paredes laterales de la cámara de aspiración, perpendicular a ésta, que conecta dicha cámara con otra cámara de amortiguación más pequeña, separada en dos subcámaras a través de una membrana flexible paralela a las paredes laterales de la cámara de aspiración. La subcámara contigua al conducto queda llena del fluido impulsado por la bomba, mientras que la otra lo está de aire a presión. Esto amortigua las pulsaciones de caudal y presión generadas en la zona de engrane contigua a la cámara de aspiración, evitando que se transmitan hacia la entrada de la bomba.

Description

BOIV1BA DE ENGRANAJES CON CÁMARA DE AMORTIGUACIÓN DE PULSACIONES DE PRESIÓN EN LA CÁMARA DE ASPIRACIÓN PARA REDUCCIÓN DE RUIDO Y VIBRACIONES
Solicitudes Relacionadas
La solicitud US2007/0178003 A1 hace referencia a un dispositivo de amortiguación de ruido y vibraciones para bombas de engranajes situado en la zona de engrane, con el fin de reducir las pulsaciones de presión a la salida de la bomba, a diferencia de la presente solicitud que trata de un dispositivo situado en la cámara de aspiración destinado a reducir dichas pulsaciones en la entrada.
Campo de la invención
El presente invento está relacionado con bombas de engranajes y particularmente con bombas de engranajes de bajos niveles de ruido y fluctuaciones de presión.
Las bombas de engranajes generalmente comprenden una cámara de engrane definida entre un par de placas laterales. Un par de engranajes se acomodan en la cámara de engrane a través de ejes de rotación. Uno de ios ejes es rotado, lo cual hace girar el engranaje ligado a éste, que a su vez, a través de la interacción entre los dientes de ambos engranajes, hace rotar en sentido inverso el otro engranaje. Una cámara de aspiración y otra de impulsión se sitúan a ambos lados de los engranajes, limitados por las placas laterales, de forma que a través del mecanismo de engrane el fluido es absorbido desde la cámara de aspiración hacia la zona de engrane, y tras ser transportado entre los dientes de los engranajes y las paredes de la cámara de engrane, se descarga a mayor presión en la cámara de impulsión.
Durante la rotación de ios engranajes, en la zona de engrane contigua a la cámara de aspiración, la separación de los dientes que engranan provoca que el volumen encerrado entre dichos dientes aumente. La succión del fluido hidráulico se debe al proceso de llenado de este volumen creciente. Dicho llenado se produce de forma muy rápida, lo que genera pulsaciones de presión que se propagan por la cámara de aspiración hacia la entrada de la bomba. Estas pulsaciones pueden causar vibraciones y/o ruido.
Una aproximación al problema es disponer una pequeña cámara conectada a través de un orificio a la cámara de aspiración. En esta cámara se dispone una membrana que ¡a divide en dos zonas: ¡a llenada por el fluido de trabajo y otra llena de aire presurizado. La diferencia de presiones entre ambos lados de la membrana es absorbida por la deformación de la misma. De este modo las fluctuaciones de presión producirán deformaciones en la membrana, de tal modo que los picos de presión serán amortiguados por el efecto del incremento del volumen ocupado por el fluido hidráulico, disminuyendo la amplitud de las pulsaciones transmitidas hacia la entrada de la cámara.
Resumen de ia invención
La presente invención consta de una bomba de engranajes en la que una cámara de amortiguación se comunica con la cámara de aspiración con el fin de amortiguar las pulsaciones de presión generadas en la zona de engrane contigua a la cámara de aspiración.
En consecuencia, la invención incluye una bomba de engranajes que comprende una cámara con paredes laterales opuestas, un par de engranajes dispuestos en el interior de la cámara, cuyos dientes engranan entre sí, una cámara de aspiración y una cámara de impulsión en lados opuestos de los engranajes, separadas entre sí por la zona de engrane, un conducto en una de las paredes laterales de la cámara de aspiración, perpendicular a ésta, que conecta dicha cámara con otra cámara de amortiguación más pequeña, separada en dos subcámaras a través de una membrana flexible paralela a las placas laterales de la cámara de aspiración. La subcámara contigua al conducto queda llena del fluido impulsado por la bomba, mientras que la otra lo está de aire a presión. Esto amortigua las pulsaciones de caudal y presión generadas en la zona de engrane contigua a la cámara de aspiración, evitando que se transmitan hacia la entrada de la bomba.
La cámara de amortiguación de pulsaciones tendrá un tamaño considerablemente menor que la cámara de aspiración pero será suficientemente grande para amortiguar de forma efectiva las pulsaciones de presión. Se comunicará con la cámara de aspiración por medio de un pequeño orificio practicado en la placa de presión. La subcámara que queda llena de fluido hidráulico estará mecanizada en la propia placa lateral, mientras que una carcasa, unida a la placa lateral mediante tornillos por la parte exterior formará la subcámara que queda llena de aire. La membrana quedará atrapada entre la carcasa que limita la subcámara de aire y la placa lateral, fijada por los tornillos anteriormente mencionados. En la carcasa de la subcámara de aire se dispondrá de una válvula que permita introducir aire a presión cuando sea necesario, de modo que ¡a presión del aire se ajuste para que la membrana se encuentre en una posición de equilibrio con ¡a presión media del fluido hidráulico en ¡a cámara de aspiración.
Características adicionales se describirán a través de la descripción detallada junto a las figuras.
Ireve descripción de las figuras
in las figuras adjuntas:
Fig 1 : Una sección de una bomba de engranajes en un plano medio parí los engranajes.
Fig 2: una vista de una sección a ¡o largo de la línea 2-2 de ia figura 1 , en un plano perpendicular a ¡os engranajes.
3: Una vista ampliada de la cámara de amortiguación.
Fig 4: Gráfica que compara ¡as fluctuaciones de presión a ¡a entrada obtenidas mediante simulación numérica con y sin efectos de cavitación.
Descripción detaifada
Las figuras 1 y 2 muestran ¡a invención en detalle sobre una bomba de engranajes típica. La bomba de engranajes 10 tiene una carcasa 12 que encierra una cámara de engrane interior 14 ¡a cual contiene un par de engranajes 16 y 18. La carcasa incluye un cuerpo central 20 en el cual se encuentran la cámara 14 y las placas laterales opuestas 22 y 24. Los extremos de ¡a cámara 14 que contienen ¡os engranajes 18 y 18 están cerrados mediante placas de presión 26 y 28 localizados en ¡os lados interiores de las placas laterales 22 y 24. Es típico en algunas bombas de engranajes encontrar ¡as placas de presión formando parte de ¡as placas ¡ateraies de la carcasa. Tal como se muestra, pueden incorporarse sellos 30 entre ¡as placas de presión y las placas laterales. Adicionalmente, pueden disponerse sellos 32 entre las Un par de ejes 34 y 38 soportan ¡os engranajes. Dichos ejes encajan en las perforaciones finales 38 y 48 sobre las placas de presión. Los ejes son paralelos entre sí. El eje de soporte 34 se extiende a través de ¡a placa lateral 26 hacia fuera de ¡a carcasa 12, sirviendo de eje conductor para la rotación del engranaje 16 que gira solidariamente con el eje. Un sello 46 puede incluirse entorno al eje de soporte en la placa lateral. El otro eje de soporte 36 mantiene el otro engranaje 18 engranado con el engranaje conductor 16, y será por tanto conducido por éste cuando sea rotado.
En la figura 2 se indica mediante flechas ¡a dirección de rotación de los engranajes conductor y conducido. Una cámara de aspiración 50 y una cámara de impulsión 52 se localizan en lados opuestos de ¡os engranajes. Las cámaras de aspiración e impulsión se encuentran respectivamente en los lados anterior y posterior de ¡os engranajes con respecto a ¡as direcciones de rotación. Las cámaras de aspiración e ¡mpuisión están conectadas a ¡os puertos de entrada 54 y salida 56 respectivamente, provistos para su conexión a ¡as líneas de entrada y salida.
Con esta disposición, el fluido introducido en la cámara de aspiración 50 a través del puerto de entrada 54 es recibido en el volumen existente entre ¡os dientes de ¡os engranajes 18 y 18 que enfrentan la cámara de aspiración, y es confinado en ¡os espacios interdentaies definidos entre ¡os dientes de ¡os engranajes y la superficie interior 58 del cuerpo central para ser expulsado a la cámara de impulsión. Los dientes de ¡os engranajes conductor y conducido involucrados en el suministro del fluido a ia cámara de ¡mpuisión 52 son movidos a través de ¡a zona de engrane de ¡os engranajes hasta que de nuevo un volumen interdental enfrenta la cámara de aspiración, por ¡o cual el fluido es recibido entre ¡os dientes de ¡os engranajes de nuevo para su entrega en ¡a cámara de impulsión 52.
Durante ¡a operación de ¡a bomba de engranajes aparece una distribución de presión que va desde ¡a baja presión en ¡a cámara de aspiración 50 hasta ¡a alta presión en ¡a cámara de impulsión 52 con un incremento de presión producido en la cámara de engranajes mediante ¡a rotación de éstos. En esta operación, de forma cíclica, se abre un volumen interdental entre ambos engranajes 61 el cual enfrenta ¡a cámara de aspiración de modo que el fluido es aspirado por ese voiumen creciente, üenándolo a medida que ¡os engranajes giran. Este volumen se prolonga hasta el punto de contacto entre engranajes 61 .
A velocidades de giro elevadas, el proceso de llenado ha de ser muy rápido, lo que provoca fuertes disminuciones de presión en la zona de la cámara de aspiración. Cuando finaliza un ciclo de engrane, esto es, cuando el punto de contacto entre dientes más cercano a la cámara de aspiración desaparece ya que dichos dientes se separan, un nuevo volumen interdental aparece enfrentando la cámara de aspiración y limitado por el punto de contacto entre el siguiente par de dientes engranados, y es llenado de nuevo con fluido hidráulico. Este proceso cíclico provoca fuertes pulsaciones de presión en la cámara de aspiración. Dichas pulsaciones se propagan hacia la entrada de la cámara de aspiración, produciendo ruidos y vibraciones.
La presento invención reduce las pulsaciones de presión en una medida significativamente mayor que previos intentos. Esto se consigue añadiendo una cámara de amortiguación de pulsaciones 70 y 71 acopiada a la placa lateral de la bomba o mecanizada en la propia placa que se comunica con la cámara de aspiración a través de un orificio 78 practicado en la placa de presión 28. La cámara está dividida en dos subcámaras. Una 70 comunicada directamente con la cámara de aspiración y por tanto llena de fluido hidráulico, y otra 71 separada de la primera mediante una membrana elástica 75 y llena de aire. La subcámara de fluido hidráulico está mecanizada en la placa lateral 24 mientras que la subcámara de aire está limitada por una carcasa 74. La carcasa se unirá a la placa lateral y a la membrana mediante tornillos 77. El volumen de la cámara de amortiguación de pulsaciones será considerablemente menor que el de la cámara de aspiración, del orden del volumen interdental de los engranajes. Las dos subcámaras serán de tamaño similar. La subcámara de aire 71 dispondrá de una válvula de llenado 79 a través de la cual se podrá suministrar aire para asegurar el equilibrio de la membrana a la presión nominal de entrada del fluido hidráulico. La figura 4 muestra ios resultados obtenidos mediante simulaciones numéricas de la evolución de las fluctuaciones de presión en la entrada de una bomba de engranajes similar a la de la figura 1 trabajando a 1500 revoluciones por minuto a lo largo de un ciclo de engrane. La línea negra muestra el comportamiento cuando no se tienen en cuenta efectos de cavitación del aceite y la línea roja el comportamiento teniendo en cuenta dichos efectos. Puesto que las nubes de vapor debidas a la cavitación tienen un efecto análogo al del dispositivo descrito, aumentando el volumen efectivo ocupado por el aceite en la cámara de aspiración cuando la presión aumenta y viceversa, el comportamiento que esperamos encontrar será similar ai de la curva roja, en la que se puede observar la disminución de las fluctuaciones de presión asociadas al cambio repentino de la posición del punto de contacto al comenzar un nuevo ciclo de engrane.
Las pulsaciones de presión provocarán el desplazamiento de la membrana en torno a su posición de equilibrio, lo cual se traduce en variaciones del volumen efectivo de la cámara de aspiración (esto es, el volumen de la cámara de aspiración más el de la subcámara llena de fluido hidráulico). Cuando se produzcan aumentos de presión, la membrana se desplazará comprimiendo el aire y aumentando el volumen ocupado por el aceite en la subcámara 70, lo que compensará parcialmente el efecto de dicho pico. Análogamente, al producirse caídas de presión, la membrana se desplazará en sentido inverso, reduciendo el volumen efectivo ocupado por el aceite y amortiguando la variación de presión.
Como construcción alternativa se propone sustituir la membrana por un émbolo unido mediante un muelle a la pared interior de la cámara.
Aunque la invención se ha mostrado y descrito en relación a una cierta construcción preferente o construcciones preferentes, es obvio que a los expertos se les ocurrirán alteraciones y modificaciones equivalentes a través de la lectura del presente documento y de las figuras adjuntas. En particular, en lo referente a las funciones desarrolladas por los elementos descritos anteriormente (componentes, ensamblajes, dispositivos...) ios términos utilizados para describir dichos elementos pretenden corresponder, salvo que se especifique de otro modo, a cualquier elemento que realice la función especificada por el elemento descrito (esto es, que sea funcionalmente equivalente), aunque no sea estructuralmente equivalente a la estructura descrita en el ejemplo de construcción propuesto. Además, mientras alguna característica particular de la invención se ha descrito sólo con respecto a una o varias de las construcciones ilustradas, dicha característica puede combinarse con otras características de otras construcciones propuestas, cuando eso pueda ser deseable o ventajoso para alguna aplicación particular.

Claims

se reivindica es:
Una bomba de engranajes que comprende una cámara con paredes laterales opuestas, un par de engranajes dispuestos en el interior de la cámara, cuyos dientes engranan entre sí, una cámara de aspiración y una cámara de impulsión en lados opuestos de los engranajes, separadas entre sí por la zona de engrane, un conducto en una de las paredes laterales de la cámara de aspiración, perpendicular a ésta, que conecta dicha cámara con otra cámara de amortiguación más pequeña, separada en dos partes a través de una membrana flexible paralela a la pared lateral de la cámara de aspiración.
Una bomba de engranajes como la indicada en la reivindicación 1 , donde la cámara de amortiguación se comunica con la cámara de aspiración a través de un pequeño orificio practicado en una placa de presión, en la zona de la cámara de aspiración contigua a la región de engrane.
Una bomba de engranajes como la indicada en la reivindicación 2, en la que las dos subcámaras de amortiguación tendrán un volumen del orden del 10% del volumen de la cámara de aspiración.
Una bomba de engranajes como la indicada en la reivindicación 3, en la que la subcámara de aire está limitada por una carcasa y la de aceite está mecanizada en la placa lateral, de modo que dicha carcasa se fija a la placa lateral mediante tornillos, los cuales fijan también la membrana.
Una bomba de engranajes como la indicada en la reivindicación 4 en la que en la subcámara que trabaja con aire a presión se dispone de una válvula de llenado de aire desde el exterior.
Una bomba de engranajes como la indicada en la reivindicación 5 en la que se sustituye la membrana por un émbolo unido mediante un muelle a la pared interior de la subcámara.
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