DE19649397A1 - Verfahren zum Betreiben einer Verdrängerpumpe und Verdrängerpumpe zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Be­ treiben einer Verdrängerpumpe mit einem Pumpengehäuse und mit mehreren darin oszillierend oder rotierend durch einen Antrieb bewegten Verdrängern, die ein zu fördern­ des Medium durch die Pumpe fördern, wobei die Verdränger­ pumpe bei zeitlich stetiger Bewegung der Verdränger För­ derleistungs-Pulsationen zeigt. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Verdrängerpumpe zur Durchführung des Ver­ fahrens.

Verdrängerpumpen unterschiedlicher Arten stehen verbrei­ tet im Einsatz und sind von daher allgemein bekannt. Un­ ter dem Begriff Verdrängerpumpen versteht man solche Pum­ pen, die theoretisch unabhängig vom Gegendruck den glei­ chen Durchsatz fördern. Verdrängerpumpen sind z. B. Kol­ benpumpen, Dreh- oder Wälzkolbenpumpen, Zahnrandpumpen, Schlauchpumpen oder Flüssigkeitsringpumpen. Je nach Art und Ausführung der Verdrängerpumpe und in Abhängigkeit von den Eigenschaften des vor- und nachgeschalteten Lei­ tungsnetzes beiderseits der Verdrängerpumpe kommt es zu mehr oder weniger ausgeprägten Förderleistungs-Pulsati­ onen. Dies bedeutet, daß sich der Fördervolumenstrom, der durch die Verdrängerpumpe gefördert wird, in Abhän­ gigkeit von der Zeit bzw. von der jeweiligen Stellung der bewegten Teile der Verdrängerpumpe verändert, wobei diese Veränderung im allgemeinen periodisch ist. Diese Förderleistungs-Pulsationen verursachen im vor- und nach­ geschalteten Leitungsnetz, das üblicherweise aus Rohr­ leitungen, Krümmern, Armaturen usw. besteht, Druckschwan­ kungen sowie unter Umständen daraus resultierende Druck­ schwingungen, die häufig unerwünschte starke Geräusche hervorrufen und bisweilen sogar Schäden verursachen kön­ nen. In begrenztem Umfang können diese unerwünschten Er­ scheinungen durch das Einbauen von Kompensatoren oder Pulsationsdämpfern oder Windkesseln in das vor- und/oder nachgeschaltete Leitungsnetz verhindert werden, wobei aber eine vollständige Eliminierung mit diesen bekannten Mitteln nicht erreichbar ist.

Es stellt sich deshalb die Aufgabe, ein Verfahren zum Be­ treiben einer Verdrängerpumpe sowie eine für die Durch­ führung des Verfahrens geeignete Verdrängerpumpe zu schaffen, womit die aufgeführten Nachteile vermieden wer­ den und womit insbesondere Förderleistungs-Pulsationen und die dadurch verursachten unerwünschten Erscheinungen im Leitungsnetz vor und/oder hinter der Verdrängerpumpe praktisch völlig vermieden werden.

Zur Lösung des ersten Teils dieser Aufgabe wird ein Ver­ fahren gemäß dem Patentanspruch 1 vorgeschlagen.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben der Verdrängerpumpe wird erreicht, daß die an sich auftreten­ den Förderleistungs-Pulsationen allein durch die überla­ gerte variierende Bewegung der Verdränger innerhalb der Verdrängerpumpe kompensiert werden. Damit können sämtli­ che bisher für diesen Zweck in das Leitungsnetz vor und/oder hinter der Verdrängerpumpe einzubauenden Teile, wie Kompensatoren, Pulsationsdämpfer oder Windkessel, völlig entfallen. Auf diese Weise werden auch störende oder schädigende Druckschwingungen innerhalb des Leitungsnet­ zes beiderseits der Verdrängerpumpe vermieden, wodurch der Wartungs- und Reparaturaufwand für das Leitungsnetz vermindert wird und dessen Lebensdauer verlängert wird.

Zur Lösung des zweiten Teils der Aufgabe wird eine Ver­ drängerpumpe gemäß dem Patentanspruch 2 vorgeschlagen. Vorteilhaft bietet eine so ausgeführte Verdrängerpumpe die Möglichkeit, die Bewegung der Verdränger innerhalb der Verdrängerpumpe so zu beeinflussen und zu steuern, daß störende Förderleistungs-Pulsationen nicht mehr ent­ stehen.

Da die weiter oben beschriebenen Förderleistungs-Pulsati­ onen häufig besonders ausgeprägt bei Drehkolbenpumpen auftreten, wird gemäß Anspruch 3 eine als Drehkolbenpum­ pe ausgeführte Verdrängerpumpe vorgeschlagen, die in einem Verfahren gemäß dem Anspruch 1 betreibbar ist und bei der die unerwünschten Förderleistungs-Pulsationen vermieden werden.

Da bei Drehkolbenpumpen in einem weiten Druckbereich die Förderleistung direkt proportional zur Drehzahl ist, wird in einer Weiterbildung der Drehkolbenpumpe gemäß An­ spruch 3 im Anspruch 4 vorgeschlagen, daß die Amplitude der Schwankung der Drehzahl relativ zur Nenn-Drehzahl der Amplitude der bei konstanter Nenn-Drehzahl auftreten­ den Förderleistungs-Pulsation der Drehkolbenpumpe ent­ spricht. Für Anwendungsfälle, bei denen diese direkte Proportionalität nicht gegeben ist, kann die Amplitude der Schwankung der Drehzahl relativ zur Nenn-Drehzahl auch durch entsprechende Berechnungen oder durch prakti­ sche Versuche ermittelt werden.

Eine erste grundsätzliche technische Möglichkeit zur Er­ zielung der erwünschten Schwankung der Drehzahl besteht darin, der Drehkolbenpumpe ein rotordrehwinkelabhängig übersetzungsvariables Getriebe vorzuschalten.

Eine erste konkrete Ausgestaltung des erwähnten Getrie­ bes besteht darin, daß dieses einen schlupffreien Rie­ men- oder Kettentrieb mit mindestens einem Paar von Zahn­ riemenscheiben oder Kettenrädern umfaßt, deren Radius rotordrehwinkelabhängig entsprechend der Zahl n perio­ disch um einen mittleren Radius variiert, wobei die Zahn­ riemenscheiben oder Kettenräder eines Paares um eine pas­ sende Drehwinkeldifferenz α gegeneinander versetzt sind.

Eine Weiterbildung der zuletzt beschriebenen Ausführung der Drehkolbenpumpe, bei der jeder Rotor zwei Rotorflü­ gel aufweist, sieht vor, daß die Zahnriemenscheiben oder Kettenräder einen angenähert viereckigen Umriß mit abge­ rundeten Ecken aufweisen und daß die Drehwinkeldifferenz α=45° ist. Durch diese Getriebekonstruktion wird der gewünschte Effekt, nämlich die Schwankung der Drehzahl der Rotoren erreicht, wobei, wie bei einer Pumpe mit zwei zweiflügeligen Rotoren erforderlich, die Drehzahl pro Rotor-Umdrehung viermal relativ zur mittleren Dreh­ zahl angehoben und abgesenkt wird.

Eine zweite Ausführung der Drehkolbenpumpe, bei der je­ der Rotor drei Rotorflügel aufweist, ist dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zahnriemenscheiben oder Kettenräder einen angenähert dreieckigen Umriß mit abgerundeten Ecken aufweisen und daß die Drehwinkeldifferenz α=30° ist. Bei dieser Getriebekonstruktion wird der für eine Pumpe mit zwei dreiflügeligen Rotoren nötige Einfluß auf dessen Drehbewegung erzielt, nämlich ein sechsmaliges An­ heben und Absenken der Rotordrehzahl gegenüber der Nenn- oder mittleren Rotordrehzahl bei jeder Rotorumdrehung.

Eine zu den zuvor beschriebenen Getriebeausführungen mit Riemen- oder Kettentrieb alternative Getriebeausführung schlägt vor, daß das Getriebe mindestens ein Paar von miteinander kämmenden ellipsen- oder ovalförmigen Stirn­ zahnrädern umfaßt und daß zwischen diesem Stirnzahnrad­ paar und dem angetriebenen Rotor oder den angetriebenen Rotoren eine weitere Übersetzungsstufe im Getriebe vorge­ sehen ist mit einem Übersetzungsverhältnis von 1/2n. Durch das beschriebene Stirnzahnradpaar wird zunächst pro Umdrehung dieser Stirnzahnräder ein zweimaliges An­ heben und Absenken der Drehzahl einer mit dem Ausgangs­ zahnrad verbundenen Welle pro Wellenumdrehung erreicht. In Abhängigkeit von der Anzahl der Rotorflügel der Ro­ toren in der nachgeordneten Drehkolbenpumpe ist eine wei­ tere Übersetzungsstufe mit einem entsprechenden Über­ setzungsverhältnis vorzusehen.

Eine weitere Ausführung der Drehkolbenpumpe, die kein übersetzungsvariables Getriebe benötigt, sieht vor, daß ein rotordrehwinkelabhängig drehzahl- oder leistungsvari­ abler Antriebsmotor verwendet wird.

Bevorzugt ist dieser Antriebsmotor ein Elektromotor oder Hydraulikmotor, wobei dem Antriebsmotor eine Drehzahl- und/oder Leistungsregeleinheit vorgeschaltet ist, die mit einer Meßeinrichtung zur Erfassung des Drehwinkels mindestens eines der Rotoren verbunden ist und mittels der nach Maßgabe des jeweils erfaßten Drehwinkels des Rotors oder der Rotoren die Drehzahl und/oder die Lei­ stung des Antriebsmotors veränderbar ist.

Schließlich wird in Weiterbildung der zuletzt beschrie­ benen Ausgestaltung der Drehkolbenpumpe noch vorgeschla­ gen, daß das Ausmaß und/oder der Verlauf der Veränderung der Drehzahl und/oder Leistung des Antriebsmotors durch manuelle oder automatische Eingabe entsprechender Steu­ erparameter in die Drehzahl- und/oder Leistungsregelein­ heit beeinflußbar ist/sind.

Zwei Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Pumpe werden im folgenden anhand einer Zeichnung erläutert. Die Figuren der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Drehkolbenpumpe in einer Teil-Ansicht mit einem zugehörigen Antriebsmotor und einem zwi­ schen beiden angeordneten Getriebe, wobei die Drehkolbenpumpe mit zwei zweiflügeligen Rotoren ausgeführt ist, und

Fig. 2 eine zweite Drehkolbenpumpe, ebenfalls mit einem zugehörigen Antriebsmotor und einem zwischen bei­ den angeordneten Getriebe, wobei die Drehkolben­ pumpe hier zwei dreiflügelige Rotoren aufweist, in gleicher Darstellungsweise wie Fig. 1.

Im unteren Teil der Fig. 1 ist der größte Teil einer Drehkolbenpumpe 1 sichtbar, wobei die Drehkolbenpumpe 1 nach außen hin durch ein Gehäuse 10 abgeschlossen ist. An der in der Zeichnung linken Seite des Gehäuses 10 ist ein Einlaß 11 dargestellt; gegenüberliegend, d. h. in der Zeichnung rechts befindet sich am Gehäuse 10 ein Auslaß 12. An den Einlaß 11 und den Auslaß 12 können in bekann­ ter Weise Rohrleitungen zur Beförderung von fluiden Medi­ en angeschlossen werden.

Im Inneren des Gehäuses 10 laufen zwei Rotoren mit je­ weils zwei Rotorflügeln um, wie dies von Drehkolbenpum­ pen allgemein bekannt ist. Da die beiden Rotoren inner­ halb des Gehäuses 10 über ein Gleichlaufgetriebe verbun­ den sind, genügt es, wie in der Zeichnung dargestellt, den einen der beiden Rotoren anzutreiben. Hierzu ist eine Rotorwelle 14 des oberen Rotors durch die dem Be­ trachter zugewandte Stirnwand des Gehäuses 10 geführt und trägt auf ihrem äußeren Ende eine Keilriemenscheibe 13, die verdrehfest angebracht ist. Die Keilriemenschei­ be 13 besitzt einen von der üblichen Kreisform abweichen­ den Umriß, der hier einem Viereck mit abgerundeten Ecken angenähert ist.

Mit dem Gehäuse 10 verbunden ist oberhalb des Gehäuses 10 ein Motorträger 20 angeordnet, auf dem ein Antriebs­ motor 2 montiert ist, der hier als Elektromotor ausge­ führt ist. Der Antriebsmotor 2 besitzt eine parallel zur Rotorwelle 14 verlaufende Antriebswelle 24, auf die ebenfalls eine Keilriemenscheibe 23 verdrehfest aufge­ setzt ist. Auch die Keilriemenscheibe 23 des Antriebsmo­ tors 2 besitzt eine von der Kreisform abweichende Umriß­ form, die ebenso wie bei der Keilriemenscheibe 13 einem Viereck mit abgerundeten Ecken angenähert ist.

Über die beiden Keilriemenscheiben 13, 23 ist ein Keil­ riemen 21 geführt, der zur Vermeidung jeglichen Schlup­ fes als Zahnriemen ausgeführt ist; die Keilriemenschei­ ben 13, 23 sind dementsprechend mit einer Verzahnung im Bereich ihrer Keilriemen-Laufrillen versehen, wie dies an sich bekannt ist.

Sobald der Antriebsmotor 2 eingeschaltet ist, wird des­ sen Antriebswelle 24 und die darauf befestigte Keilrie­ menscheibe 23 im Sinne des dort eingezeichneten Dreh­ pfeils in Drehung versetzt. Über den Keilriemen 21 wird die Drehbewegung der Keilriemenscheibe 23 auf die Keil­ riemenscheibe 13 übertragen, wodurch die Rotorwelle 14 im Sinne des dort eingezeichneten Bewegungspfeiles eben­ falls in Drehung versetzt wird; hierdurch werden auch die Rotoren, die hier innerhalb des Gehäuses 10 nicht sichtbar angeordnet sind, in Drehung versetzt, wodurch sich eine Förderwirkung der Drehkolbenpumpe 1 ergibt.

Wie aus der Zeichnung weiter ersichtlich ist, sind die beiden Keilriemenscheiben 13, 23 mit einem Drehwinkelver­ satz gegeneinander angeordnet, wobei im vorliegenden Bei­ spiel die Drehwinkeldifferenz 45° beträgt. Durch die Formgebung der Keilriemenscheiben 13, 23 und deren Dreh­ winkelversatz wird erreicht, daß bei stetiger Drehung der Antriebswelle 24 des Antriebsmotors 2 die Rotorwelle 14 sich mit einer um eine Nenn-Drehzahl periodisch schwankenden Drehzahl dreht. Diese Drehzahlschwankung ist hinsichtlich ihrer Periode, ihrer Phasenlage und ih­ rer Amplitude möglichst so bemessen, daß Förderlei­ stungs-Pulsationen der Drehkolbenpumpe 1 nicht mehr auf­ treten, sei es auf der Seite des Einlasses 11 oder auf der Seite des Auslasses 12.

Schließlich zeigt die Fig. 1 noch eine Spanneinrichtung zur Straffung des Keilriemens 21, wobei hierzu der Motor­ träger 20 relativ zum Gehäuse 10 der Drehkolbenpumpe 1 verschwenkbar und durch zwei auf einer Gewindespindel verdrehbare Muttern festlegbar ist. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß keinerlei Schlupf in dem Keilriemen­ trieb vom Antriebsmotor 2 zur Rotorwelle 14 auftreten kann.

Eine zweite Ausführung einer Drehkolbenpumpe 1 mit zuge­ hörigem Antriebsmotor 2 zeigt die Fig. 2. Bei dieser Ausführung der Drehkolbenpumpe 1 sind im Gehäuse 10 zwei dreiflügelige Rotoren vorgesehen, wobei diese hier eben­ falls nicht sichtbar sind. Um bei dieser Drehkolbenpumpe 1 mit dreiflügeligen Rotoren die gewünschte Periodenlän­ ge der Drehzahlschwankung bei der Drehung der Rotoren zu gewährleisten, sind die beiden Keilriemenscheiben 13, 23 hier ebenfalls mit einer von der Kreisform abweichenden Umrißform ausgeführt, wobei die Umrißform hier einem Dreieck mit abgerundeten Ecken angenähert ist. Auch bei dieser Ausführung liegt zwischen der Keilriemenscheibe 13 auf der Rotorwelle 14 und der Keilriemenscheibe 23 auf der Antriebswelle 24 des Antriebsmotors 2 ein Dreh­ winkelversatz vor, wobei die Drehwinkeldifferenz hier 30° beträgt. Durch diese Form der Keilriemenscheiben 13, 23 und deren Drehwinkeldifferenz gegeneinander wird er­ reicht, daß pro Umdrehung der Rotorwelle 14 deren Dreh­ zahl insgesamt sechsmal relativ zur mittleren Drehzahl angehoben und abgesenkt wird. Auf diese Weise wird auch für die hier mit dreiflügeligen Rotoren ausgeführte Dreh­ kolbenpumpe eine Unterbindung von Förderleistungs-Pulsa­ tionen erreicht. In ihren übrigen Teilen entspricht die Drehkolbenpumpe 1 gemäß Fig. 2 derjenigen aus Fig. 1.

Claims (12)

1. Verfahren zum Betreiben einer Verdrängerpumpe (1) mit einem Pumpengehäuse (10) und mit mehreren darin oszillierend oder rotierend durch einen Antrieb (2) bewegten Verdrängern, die ein zu förderndes Medium durch die Pumpe (1) fördern, wobei die Verdrängerpum­ pe (1) bei zeitlich stetiger Bewegung der Verdränger Förderleistungs-Pulsationen zeigt, dadurch gekennzeichnet, daß der zeitlich stetigen Bewegung der Verdränger eine zu den Förderleistungs-Pulsationen gegenphasig variierende Bewegung überlagert wird.

2. Verdrängerpumpe zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, wobei die Verdrängerpumpe (1) mit einem Pumpengehäuse (10) und mit mehreren darin oszillie­ rend oder rotierend durch einen Antrieb (2) bewegten Verdrängern ausgestattet ist, die ein zu förderndes Medium durch die Pumpe (1) fördern, wobei die Ver­ drängerpumpe (1) bei zeitlich stetiger Bewegung der Verdränger Förderleistungs-Pulsationen zeigt, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Antrieb (2) und den Verdrängern oder aufseiten des Antriebes (2) Mittel zur Erzeu­ gung einer zu den Förderleistungs-Pulsationen gegen­ phasig variierenden, der zeitlich stetigen Bewegung der Verdränger zu überlagernden Bewegung vorgesehen sind.

3. Verdrängerpumpe nach Anspruch 2, wobei diese eine Drehkolbenpumpe (1) mit zwei in einem Pumpengehäuse (10) gegensinnig umlaufenden, ineinandergreifenden drehantreibbaren Rotoren ist, wobei jeder Rotor n Rotorflügel aufweist, wobei n≧2 ist, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Rotoren mit einer um eine Nenn-Drehzahl rotordrehwinkelabhängig periodisch schwankenden Drehzahl drehantreibbar sind, wobei die Periodenlänge der Schwankung der Drehzahl bezogen auf eine Umdrehung der Rotoren 360°/2n beträgt und wobei die Phasenlage der Schwankung der Drehzahl ge­ genphasig zu einer bei konstanter Nenn-Drehzahl auf­ tretenden Förderleistungs-Pulsation der Drehkolben­ pumpe (1) ist.

4. Drehkolbenpumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Amplitude der Schwankung der Drehzahl relativ zur Nenn-Drehzahl der Amplitude der bei kon­ stanter Nenn-Drehzahl auftretenden Förderleistungs-Pul­ sation der Drehkolbenpumpe (1) entspricht.

5. Drehkolbenpumpe nach Anspruch 3 oder 4, gekennzeich­ net durch ein vorgeschaltetes rotordrehwinkelabhän­ gig übersetzungsvariables Getriebe.

6. Drehkolbenpumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß das Getriebe einen schlupffreien Riemen- oder Kettentrieb mit mindestens einem Paar von Zahn­ riemenscheiben (13, 23) oder Kettenrädern umfaßt, deren Radius rotordrehwinkelabhängig entsprechend der Zahl n periodisch um einen mittleren Radius vari­ iert, wobei die Zahnriemenscheiben (13, 23) oder Kettenräder eines Paares um eine passende Drehwin­ keldifferenz a gegeneinander versetzt sind.

7. Drehkolbenpumpe nach Anspruch 6, wobei jeder Rotor zwei Rotorflügel aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnriemenscheiben (13, 23) oder Kettenräder einen angenähert viereckigen Umriß mit abgerundeten Ecken aufweisen und daß die Drehwinkeldifferenz α=45° ist.

8. Drehkolbenpumpe nach Anspruch 6, wobei jeder Rotor drei Rotorflügel aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnriemenscheiben (13, 23) oder Kettenräder einen angenähert dreieckigen Umriß mit abgerundeten Ecken aufweisen und daß die Drehwinkeldifferenz α=30° ist.

9. Drehkolbenpumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß das Getriebe mindestens ein Paar von mitein­ ander kämmenden ellipsen- oder ovalförmigen Stirn­ zahnrädern umfaßt und daß zwischen diesem Stirnzahn­ radpaar und dem angetriebenen Rotor oder den ange­ triebenen Rotoren eine weitere Übersetzungsstufe im Getriebe vorgesehen ist mit einem Übersetzungsver­ hältnis von 1/2n.

10. Drehkolbenpumpe nach Anspruch 3 oder 4, gekennzeich­ net durch einen rotordrehwinkelabhängig drehzahl- oder leistungsvariablen Antriebsmotor (2).

11. Drehkolbenpumpe nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Antriebsmotor (2) ein Elektromotor oder Hydraulikmotor ist und daß dem Antriebsmotor (2) eine Drehzahl- und/oder Leistungsregeleinheit vorgeschaltet ist, die mit einer Meßeinrichtung zur Erfassung des Drehwinkels mindestens eines der Roto­ ren verbunden ist und mittels der nach Maßgabe des jeweils erfaßten Drehwinkels des Rotors oder der Ro­ toren die Drehzahl und/oder die Leistung des An­ triebsmotors (2) veränderbar ist.

12. Drehkolbenpumpe nach Anspruch 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Ausmaß und/oder der Verlauf der Veränderung der Drehzahl und/oder der Leistung des Antriebsmotors (2) durch manuelle oder automatische Eingabe entsprechender Steuerparameter in die Drehzahl- und/oder Leistungsregeleinheit beeinflußbar ist/sind.