VERDRÄNGEREINRICHTUNG

Abstract

 Eine Verdrängereinrichtung für Fluide, insbesondere Flüssigkeiten hat linear bewegliche Verdrängerkörper, die in Pumpemkammern eintauchen und über jeweils eine Pleuelstange an Kurbelzapfen einer fremd angetriebenen Kurbelwelle angeschlossen sind, wobei mindestens zwei Gruppen Verdrängerkörper vorgesehen sind. Alle Gruppen haben jeweils gleiche Anzahl Verdrängerkörper, und die Kurbelzapfen für die Verdrängerkörper sind in gleichen Winkelabständen um die Kurbelwelle herum verteilt angeordnet. Die einer Gruppe zugeordneten Kurbelzapfen sind zu denjenigen der anderen Gruppe jeweils um einen Versatzwinkel β versetzt um die Kurbelwelle angeordnet. Ferner sind die Verdrängerkörper jeder Gruppe in Achsrichtung der Kurbelwelle versetzt zu denjenigen der übrigen Gruppen angeordnet und die Gruppenverdrängerkörper sind jeweils unter einem Gruppen-Versatzwinkel y zueinander um die Kurbelwelle angeordnet. Die Verdrängereinrichtung ermöglicht niedrige Druckpulsationen.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Verdrängereinrichtung für Fluide, insbesondere Flüssigkeiten, mit Verdrängerkörpern, die linear in die Verdrängereinrichtung eintauchen, nämlich in zylindrische Pumpenkammern in einem Pumpengehäuse, die je über ein Saugventil und ein Druckventil in Strömungsverbindung stehen, wobei die Verdrängerkörper jeweils über eine Pleuelstange an Kurbelzapfen einer fremdangetriebenen Kurbelwelle angeschlossen sind.

[0002] Es sind Verdrängerpumpen bekannt, mit denen Wasser auf Drücke von mehreren hundert bar gebracht werden können. Solches Druckwasser wird beispielsweise zum Entzundern von Walzstahlblöcken oder -bändern eingesetzt, um Walzprodukte mit hoher, gleichförmiger Oberflächenqualität zu erzielen.

[0003] Beim Einsatz von Verdrängerpumpen mit linear beweglichen Verdrängerkörpern, im Folgenden auch Plunger genannt, treten unvermeidlich Druckpulsationen auf, die möglichst klein gehalten werden sollten, um gewünschte Gleichförmigkeit der Entzunderung der Walzprodukte zu gewährleisten. Bei herkömmlichen Verdrängerpumpen sind die Zylinder für die Verdrängerkörper im Pumpengehäuse in Reihe angeordnet. Untersuchungen der Anmelderin haben gezeigt, dass bei einer solchen Reihenanordnung die Druckpulsationen mit zunehmender ungerader Anzahl von Zylindern kleiner werden als bei einer geradzahligen Zylinderanzahl. Dem Einsatz einer großen ungeraden Anzahl von Zylindern, z.B. sieben Zylindern, stehen jedoch die große Baulänge, der schlechte Massenausgleich und die ungleichmäßige Belastung der Kurbelwelle entgegen.

[0004] Eine Kraftstoffpumpe mit zwei Paaren von jeweils zwei Pumpenelementen, welche über Doppelnocken angetrieben werden, ist in der DE 10 2007 035 100 A1 offenbart. Sternförmige Pumpenkonfigurationen sind aus der EP 1 306 553 A2, der FR 1563223, der US 2,394,285 sowie der DE 315794 bekannt. Die DE 10 2004 048 714 A1 offenbart eine Radialkolbenpumpe für die Kraftstoffeinspritzung mit zwei Pumpeneinheiten in V-Anordnung.

[0005] Die US-Anmeldeschrift US 2007/0148016 A1 offenbart eine Pumpe für Ventilatoren in der medizinischen Anwendung, bei welcher eine zentral positionierte Motoreinheit über entgegengesetzte Antriebswellen und Hebelarme vier Kompressionskolben antreibt. Ein weiterer Kompressor für medizinische Anwendungen mit vier Kolbenelementen ist aus der WO 2012/162389 A1 bekannt. Pumpen mit jeweils zwei versetzt arbeitenden Kolben, welche zentral angetrieben sind, sind aus der WO 2013/145576 A1, der WO 2013/091218 A1 sowie der EP 1 437 507 A2 bekannt.

[0006] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verdrängereinrichtung der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, die zu geringen Druckpulsationen führt.

[0007] Die gestellte Aufgabe lässt sich durch eine Verdrängereinrichtung der eingangs beschriebenen Art lösen, bei der

• ein Antrieb mit zwei entgegengesetzten Abtriebswellenenden vorgesehen ist, an die je eine Kurbelwelle einer Verdrängerpumpe gekoppelt ist, welche jeweils eine Gruppe Verdrängerkörper aufweist,
• die beiden Gruppen Verdrängerkörper eine gleiche Anzahl Verdrängerkörper aufweisen,
• die Kurbelzapfen für die Verdrängerkörper jeder Gruppe in gleichen Winkelabständen α zueinander versetzt um die zugehörige Kurbelwelle herum angeordnet sind, und
• die Kurbelzapfen der einen Gruppe zu denjenigen der anderen Gruppe um einen Versatzwinkel β versetzt um die zugehörige Kurbelwelle angeordnet sind.

[0008] Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung mit einem gemeinsamen Antrieb für zwei Verdrängerpumpen sind in den Unteransprüchen 2 bis 7 angegeben.

[0009] Die Erfindung ist im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1a und 1b

die Seitenansicht und Stirnansicht einer Kurbelwelle mit daran angebrachten zwei Gruppen von je drei Verdrängerkörpern in Boxer-Anordnung mit einem Gruppen-Versatzwinkel γ von 180° bei einer Verdrängerpumpe gemäß einem Vergleichsbeispiel;

Fig. 2

die Stirnansicht einer abgewandelten Verdrängerpumpe gemäß Figur 1a, hier jedoch mit einem Gruppen-Versatzwinkel γ von 150°;

Fig. 3

die Kurbelwelle nach den Figuren 1 oder 2 ohne Verdrängerkörper in Seitenansicht;

Fig. 4 und 5

zwei schematische Darstellungen der Kurbelzapfenanordnungen der Kurbelwelle nach Figur 2, und zwar

Fig. 4

die Kurbelzapfenanordnung einer ersten Gruppe von drei Verdrängerkörpern und

Fig. 5

die dazu um einen Versatzwinkel β verdrehte Kurbelzapfenanordnung der zweiten Gruppe von drei Verdrängerkörpern;

Fig. 6a, b und c

Beispiele für die Kurbelzapfenstellungen einer Verdrängerpumpe gemäß Figur 1a, 1b und 2 in drei unterschiedlichen Drehpositionen der Kurbelwel1e;

Fig. 7

für eine Anordnung nach den Figuren 1a und 1b drei übereinander angeordnete Diagramme jeweils über einem Kurbelwinkel zwischen 0 und 360°, nämlich im oberen Diagramm sechs Geschwindigkeitskurven für die Geschwindigkeit der sechs Verdrängerkörper, im mittleren Diagramm die Fördervolumina und im untersten Diagramm die Druckpulsationen;

Fig. 8

eine perspektivische Ansicht von Teilen einer Verdrängereinrichtung gemäß der Erfindung mit einem gemeinsamen Antrieb für zwei Verdrängerpumpen;

Fig. 9

eine Teilansicht der Verdrängereinrichtung nach Fig. 8.

[0010] Fig. 1a und 1b zeigen in einer Seitenansicht und einer Stirnansicht einer Kurbelwelle 10 mit daran angebrachten zwei gegenüberliegenden Gruppen A, B von Verdrängerkörpern oder Plungern 1, 3, 5 (Gruppe A) und 2, 4, 6 (Gruppe B). Die Plunger der Gruppe A sind zu denjenigen der Gruppe B in Achsrichtung der Kurbelwelle abwechselnd angeordnet, wie dies aus Fig. 1a ersichtlich ist. Die Gruppen A und B sind um einen Gruppen-Versatzwinkel γ von 180° in Boxer-Anordnung zueinander versetzt angeordnet. Der Winkel γ beträgt gemäß den Fig. 1a und 1b 180°, kann aber auch davon abweichen.

[0011] Die Kurbelwelle 10 und die Plunger 1 bis 6 bilden Teil einer Verdrängerpumpe, deren Gehäuse und weitere Teile nicht dargestellt sind; es versteht sich jedoch, dass die Plunger 1 bis 6 in zylinderförmigen Pumpenkammern üblicher Bauart gleitbar und abgedichtet geführt sind, wobei die Pumpenkammern über je ein Saugventil und ein Druckventil in Strömungsverbindung stehen, um ein Fluid, z.B. Wasser, auf hohe Drücke zu bringen.

[0012] Die Fig. 3 zeigt die Kurbelwelle 10 allein. An ihrem in Fig. 3 rechten Ende ist sie mit einem Antriebszapfen 17 versehen, mit dem sie mit einer nicht gezeigten Abtriebswelle eines Antriebes, wie eines Elektromotors, kuppelbar ist. Ferner hat sie zwei im Abstand angeordnete Lagerbünde 18, 19, mit der sie in nicht gezeigten Lagern des Pumpengehäuses drehbar gelagert ist. In dem Abstand zwischen den beiden Lagerbünden sind Kurbelzapfen 11 bis 16 in Achsrichtung nebeneinander angeordnet. Die jeweils drei Kurbelzapfen der beiden Gruppen sind jeweils um einen Winkelabstand α = 120° verteilt angeordnet. Die Bezugszahlen 1 bis 6 für die in Fig. 3 nicht gezeichneten Plunger betreffen hier die Zuordnung zu den zugehörigen Kurbelzapfen 11 bis 16, also 1 zu 11, 2 zu 12 etc. An diese Kurbelzapfen sind die Plunger 1 bis 6 über Pleuelstangen 20 in herkömmlicher Weise mittels Kreuzköpfen 21 angeschlossen. Die drei Kurbelzapfen 12, 14, 16 sind gemäß Fig. 5 gegenüber den Kurbelzapfen 11, 13, 15 um einen Versatzwinkel β versetzt auf der Kurbelwelle angeordnet. Dies führt dazu, dass die Verdrängungswirkung der geradzahlig bezeichneten Plunger 2, 4, 6 sich nicht gleichzeitig mit derjenigen der ungeradzahligen Plunger 1, 3, 5 einstellt, sondern um β = 30° zeitlich versetzt stattfindet. Dies führt im Ergebnis dazu, dass die Druckpulsationen über den Umlauf der Kurbelwelle sich vergleichmäßigen, wie im Folgenden näher erläutert ist. Hierzu sei auf die Fig. 6a, 6b und 6c, sowie auf die Fig. 7 verwiesen.

[0013] Die Fig. 6a, b und c zeigen die Kurbelwelle gemäß den Fig. 1 bis 5 in den drei Drehpositionen 0°, 60° und 90°. Ähnlich der Darstellung in den Fig. 4 und 5 sind die Kurbelzapfen 11 bis 16 durch Kreise symbolisiert, die hier jedoch der einfacheren Darstellung wegen kleiner gezeichnet sind als in den Fig. 4 und 5. Anders als in diesen Figuren sind hier jedoch alle sechs Kurbelzapfen jeweils in den drei Fig. 6a, 6b und 6c eingezeichnet, um den Nachlauf der Kurbelzapfen um den Versatzwinkel β deutlich zu machen. In jedem Kreis ist eine den jeweiligen Plunger bezeichnende Bezugszahl 1 bis 6 eingetragen. Plunger mit ungerader Bezugszahl 1, 3 oder 5 gehören zur Gruppe A und fördern in den Fig. 1a, 1b und 2 nach oben, während Plunger mit gerader Bezugszahl 2, 4 oder 6 zur Gruppe B gehören und nach unten fördern. Das quadratische Plungersymbol in dem jeweiligen Kreis über oder unter der Plunger-Bezugszahl stellt die Wirkrichtung des betreffenden Plungers dar. Unter Druck stehende, fördernde Plunger sind durch Schraffur gekennzeichnet. Plunger ohne Schraffur befinden sich im Saughub und sind druckfrei.

[0014] Im obersten Diagramm der Fig. 7 sind über dem Kurbelwinkel der Kurbelwelle von 0 bis 360° die Geschwindigkeitskurven g1 bis g6 der einzelnen Plunger 1 bis 6 dargestellt, wobei der Bezug zum jeweiligen Plunger durch dessen Bezugszahl gekennzeichnet ist. So gehört die Kurve g1 zu Plunger 1, die Kurve g2 zum Plunger 2 usw.

[0015] Plunger im oberen Totpunkt OT oder unteren Totpunkt UT haben die Geschwindigkeit Null, kreuzen also die Kurbelwinkelachse x. Hier beginnt bzw. endet der Förderprozess. Beispielsweise befindet sich der Plunger 1 bei Kurbelwinkel Null im UT und beginnt mit zunehmender Fördermenge zu fördern. Der Plunger 2 befindet sich bei Kurbelwinkel Null bereits in Förderzustand mit zunehmender Fördermenge.

[0016] Bei Kurbelwinkel 60° gemäß Fig. 6b befindet sich der Plunger 3 im oberen Totpunkt OT und die Geschwindigkeitskurve g3 schneidet die Kurbelwinkelachse abfallend, während Plunger 2 die maximale Geschwindigkeit erreicht und maximal fördert.

[0017] Bei 90° fördert Plunger 1 bei höchster Geschwindigkeit maximal, während der Plunger 6 die Geschwindigkeit 0 m/s im OT erreicht hat usw.

[0018] Die Kurve f im mittleren Diagramm von Fig. 7 zeigt das periodische Schwanken der mit einer Verdrängerpumpe gemäß den Fig. 1 bis 5 erzielten Fördermenge l/min zwischen ca. 1550 l/min und 1610 l/min.

[0019] Schließlich zeigt die Kurve d im untersten Diagramm der Fig. 7 die Druckpulsation der geförderten Flüssigkeit, die etwa zwischen 375 bar Mindestdruck und 400 bar Höchstdruck schwankt. Dies stellt eine sehr niedrige Druckpulsation dar, die kleiner als mit einer herkömmlichen Verdrängerpumpe mit sieben Plungern in Reihe erzielbar ist.

[0020] In den Fig. 8 und 9 ist eine Verdrängereinrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dargestellt, wobei die Fig. 9 die rechte Hälfte der Einrichtung nach Fig. 8 in einer Seitenansicht entsprechend Fig. 1a zeigt. Für gleiche oder gleichwirkende Teile sind in den Fig. 8 und 9 gleiche Bezugszeichen wie in den Fig. 1 bis 6 verwendet.

[0021] Wie Fig. 8 zeigt, besitzt die Verdrängereinrichtung einen Elektromotor 30 als Antrieb, dessen durchgehende Abtriebswelle (nicht sichtbar) mit ihren Abtriebswellenenden 34 je an eine Kurbelwelle 10 einer eigenen Verdrängerpumpe 31, 32 angekoppelt sind. So entsteht eine Einheit aus einem zentralen Antrieb 30 und damit fluchtend zwei Verdrängerpumpen 31, 32, welche fliegend am Motor 30 angebracht sind. Jede Verdrängerpumpe hat eine Plungergruppe A mit drei in Reihe angeordneten Plungern, nämlich Gruppe A mit Plungern 1, 3, 5 (links in Fig. 8) und Gruppe B mit Plungern 2, 4, 6 (rechts vom Elektromotor 30 in Fig. 8 und 9). Sämtliche Plunger 1, 3, 5 und 2, 4, 6 sind jeweils in Reihe und in einer gleichen vertikalen Ebene E angeordnet. Die Kurbelzapfen 11, 13, 15 der Kurbelwelle 10 der Gruppe A sind gemäß Fig. 4 in der gleichen Ebene E wie die Plunger 1, 3, 5 angeordnet. Jedoch sind die Kurbelzapfen 12, 14, 16 der Kurbelwelle 10 der Gruppe B wie in Fig. 5 um einen Versatzwinkel β = 30° versetzt auf der zweiten Kurbelwelle 10 angeordnet. Aufgrund dieses Versatzes lässt sich mit einer Verdrängereinrichtung gemäß den Fig. 8 und 9 ebenfalls eine niedrigere Druckpulsation erzielen als mit einer herkömmlichen Verdrängerpumpe mit ungerader Plungeranzahl.

[0022] Die Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungen beschränkt. So kann jede Plungergruppe einer Ausführung gemäß den Fig. 1 bis 9 auch mehr als drei Plunger für jede Gruppe haben. Es sind auch mehr als drei Kurbelzapfenanordnungen um eine gemeinsame Kurbelwelle gleichmäßig verteilt möglich, z.B. vier Kurbelzapfen, die um einen Winkelabstand von α = 90° um den Umfang der Kurbelwelle verteilt sind. Der Versatzwinkel β kann auch kleiner oder größer als 30° sein.

[0023] Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.

Bezugszeichenliste

[0024] 

A, B

Plungergruppe

1 bis 6

Verdrängerkörper, Plunger

10

Kurbelwelle

11 bis 16

Kurbelzapfen

17

Antriebsende

18, 19

Lagerbund

20

Pleuel

21

Kreuzkopf

α

Winkelabstand der Plunger einer Gruppe

β

Versatzwinkel der Kurbelzapfen einer Gruppe zu denjenigen der anderen Gruppe

γ

Gruppen-Versatzwinkel der Plungergruppen

30

Elektromotor

31,32

Verdrängerpumpe

34

Abtriebswellenende

E, F

Ebene

x

Kurbelwinkelachse

f

Fördermengen-Kurve

d

Druckpulsationskurve

g1 bis g6

Geschwindigkeitskurven

Ansprüche

1. Verdrängereinrichtung für Fluide, insbesondere Flüssigkeiten, mit linear beweglichen, in die Verdrängereinrichtung eintauchenden Verdrängerkörpern (1 bis 6), die jeweils über eine Pleuelstange (20) an Kurbelzapfen (21) einer fremdangetriebenen Kurbelwelle (10) angeschlossen sind, wobei

- ein Antrieb (30) mit zwei entgegengesetzten Abtriebswellenenden vorgesehen ist, an die je eine Kurbelwelle (10) einer Verdrängerpumpe (31, 32) gekoppelt ist, welche jeweils eine Gruppe (A; B) Verdrängerkörper (1 bis 6) aufweist,

- die beiden Gruppen (A; B) Verdrängerkörper eine gleiche Anzahl Verdrängerkörper aufweisen,

- die Kurbelzapfen (11 bis 16) für die Verdrängerkörper (A; B) jeder Gruppe in gleichen Winkelabständen (α) zueinander versetzt um die zugehörige Kurbelwelle (10) herum angeordnet sind, und

- die Kurbelzapfen (12, 14, 16) der einen Gruppe (B) zu denjenigen (11, 13, 15) der anderen Gruppe (A) um einen Versatzwinkel (β) versetzt um die zugehörige Kurbelwelle angeordnet sind.

2. Verdrängereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtriebswellen und die Kurbelwellen miteinander fluchten.

3. Verdrängereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Gruppen (A; B) Verdrängerkörper unter einen Gruppen-Versatzwinkel (γ) um die Kurbelwellen (10) versetzt angeordnet sind.

4. Verdrängereinrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass jede Gruppe (A; B) drei Verdrängerkörper (1, 3, 5; 2, 4, 6) aufweist, die jeweils im Winkelabstand (α) von 120° um die zugehörige Kurbelwelle (10) verteilt angeordnet sind.

5. Verdrängereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Versatzwinkel (β) der Kurbelzapfen (11 bis 16) jeder Kurbelwelle (10) 30° beträgt.

6. Verdrängereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (3 0) ein Elektromotor ist.

7. Verdrängereinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (30) zwei entgegengesetzte, miteinander fluchtende Abtriebswellenenden (34) hat, welche die Endpartien einer durchgehenden Elektromotorwelle bilden.

Zeichnung