DE3332361C2 - Wälzkolbenpumpe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Wälzkolbenpumpe nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Für die Absaugung großer Gasmengen, insbesondere zur Vakuumerzeugung in der chemischen und metallurgischen Verfahrenstechnik, werden heute vorzugsweise mehrstu­ fige Wasserdampfstrahlsauger eingesetzt. Mit ent­ sprechender Stufenzahl kann der Druckbereich von Atmosphärendruck bis zu Drücken unter 10^-3 mbar über­ strichen werden. Sie sind robust und unempfindlich ge­ gen Verschmutzung, setzen aber voraus, daß Wasserdampf von genügend hohem Druck und Kühlwasser zur Kondensa­ tion des Dampfes zur Verfügung steht.

Die Aufstellung einer solchen Pumpanlage und die Steue­ rung der verschiedenen Stufen in Abhängigkeit vom An­ saugdruck erfordern, besonders wenn ein separater Dampf­ erzeuger benötigt wird, hohe Anschaffungs- und Installa­ tionskosten. Auch die Betriebskosten für die aufzuwen­ dende Energie und für die Wasserversorgung und Reinigung des Abwassers sind erheblich.

In dieser Hinsicht sind mechanische Pumpsysteme vorteilhaf­ ter. Sie wurden jedoch bisher nur wenig berücksichtigt. Die wesentlichen Gründe waren Bedenken hinsichtlich ihrer Zuverlässigkeit bei hohem Schmutzanfall, bedingt durch ihren komplizierten Aufbau, und die Tatsache, daß bis heute keine genügend großen Einheiten zur Verfügung standen. Es war deshalb bisher die Parallelschaltung mehrerer Pumpen notwendig, so daß die Investitions- und Installationsko­ sten nicht viel niedriger waren als bei Dampfstrahlsaugern. Bei den steigenden Kosten für Energie und Gebrauchswasser kommen jedoch die Vorteile der mechanischen Pumpsysteme, d. h. ihr höherer Wirkungsgrad, ihr geringerer Kühlwasser­ bedarf und ihre einfachere Steuerung, immer mehr zur Gel­ tung, und die Lösung des Problems der Entwicklung größerer Einheiten mit hoher Betriebssicherheit wird deshalb immer aktueller.

Wenn ein hohes spezifisches Saugvermögen, d. h. ein gün­ stiges Preis/Leistungsverhältnis bei rotierenden Pumpen, erreicht werden soll, müssen hohe Drehzahlen möglich sein. Diese sind nur erreichbar, wenn die inneren Reibungsverluste klein sind, eine Bedingung, die bisher am besten durch die trockenlaufenden Wälzkolbenpumpen vom Roots-Typ mit Rotoren, die ein Lemniskaten-Profil besitzen, erfüllt wird. Da der Kompressionsfaktor dieses Pumpentyps gegen Atmosphärendruck zu gering ist, können sie jedoch nur in Kombination mit anderen Pumpentypen, die höhere Kompressionsfaktoren ha­ ben, bei den in der Verfahrenstechnik üblichen Arbeits­ drücken eingesetzt werden.

Die Kompression der von der Wälzkolbenpumpe geförderten Gase auf Atmosphärendruck wird bisher durch Wasserring­ pumpen oder ölgedichtete Vorpumpen übernommen. Wasser­ ringpumpen können bei den heutigen hohen Betriebswasser­ kosten kaum mehr in Betracht gezogen werden. Sie haben auch den Nachteil, daß wegen ihres relativ hohen End­ druckes meistens zweistufige Wälzkolbenpumpenaggregate verwendet werden müssen. Es bleiben also die ölgedich­ teten Sperrschieber-, Drehschieber-, Vielschieber- oder Trochoidenpumpen; sie müssen wegen ihrer hohen Reibungs­ verluste, um die Erwärmung in den zulässigen Grenzen zu halten, jedoch im Vergleich zu Wälzkolbenpumpen bei ver­ gleichbarem Saugvermögen mit niedrigerer Drehzahl betrie­ ben werden und besitzen deshalb ein wesentlich ungünsti­ geres Preis/Leistungsverhältnis.

In der DE-PS 8 15 370 ist ein Rootsgebläse mit regelbarer Verdichtung beschrieben, welches mit druckabhängig ver­ stellbaren Abdeckblenden zum Freigeben bzw. Schließen von Ausstoßöffnungen versehen ist. Dieses Gebläse ist für das Fördern von Gasen und Flüssigkeiten vorgesehen. Für den Einsatz in der Vakuumtechnik kann es nur im hö­ heren Druckbereich eingesetzt werden, da die erreichba­ ren Enddrücke nicht niedrig genug sind.

Wünschbar wäre ein trockenlaufendes, auf Atmosphären­ druck verdichtendes Pumpsystem, das mit wenig Stufen einen hohen Kompressionsfaktor erreicht und mit hoher Drehzahl betrieben werden kann.

Es sollte möglichst so beschaffen sein, daß sich alle Stufen auf einer Achse in einem gemeinsamen Gehäuse befinden und nur ein Antriebsmittel erforderlich ist. Die vorliegende Erfindung hat sich die Lösung dieser Aufgabe zum Ziel gesetzt.

Die Begrenzung der Einsatzmöglichkeit von Wälzkolben­ pumpen der oben beschriebenen Bauart als Vakuumpumpe ent­ steht dadurch, daß im Inneren der Pumpe keine Kompression stattfindet. Es wird vielmehr das von der Ansaugseite her geförderte Gasvolumen, sobald es mit der Ausstoßseite kommuniziert, auf den Ausstoßdruck aufgefüllt, und muß dann gegen diesen Druck aus dem Pumpenraum ausgeschoben werden. Dabei wird wesentlich mehr Verdichtungsarbeit geleistet als bei den vorhin genannten Pumpen mit innerer Verdichtung. Außerdem werden, weil an den Dichtungsspalten praktisch dauernd die volle Druckdifferenz zwischen Ausstoß- und Ansaugdruck herrscht, die Rückströmungsverluste sehr hoch. Sie führen zu einer weiteren Verschlechterung des Wirkungsgrades und beeinträchtigen vor allem den Kompres­ sionsfaktor bei höheren Drücken. Eine Wälzkolbenpumpe der Roots-Bauart hat deshalb gegen Atmosphärendruck, selbst wenn das Saugvermögen gegen Null geht, nur einen Verdich­ tungsfaktor von etwa 5 und erzeugt dabei eine so große Kompressionswärme, daß sie ohne zusätzliche Kühleinrich­ tung im Dauerbetrieb nicht eingesetzt werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Weg zu finden, daß eine innere Verdichtung, ähnlich wie bei den erwähnten Vorpumpen, möglich wird, so daß nur kurzzeitig die volle Druckdifferenz zwischen Ausstoß- und Ansaugdruck an den Dichtungsspalten wirksam wird. Außerdem sollte der schädliche Totraum, der zur Überführung eines Teils der verdichteten Gase auf die Ansaugseite (neben den Spaltver­ lusten) führen würde, so klein wie möglich sein.

Die erfindungsgemäße Wälzkolbenpumpe mit zwei parallelen sich berührungslos aufeinander abwälzenden Kolben, die über ein Zahnradpaar synchronisiert sind, mit mindestens zwei symmetrisch auf dem Kolbenumfang verteilten Zahn­ leisten und entsprechenden Vertiefungen im Gegenkolben, ist dadurch gekennzeichnet, daß der Ausstoß des kompri­ mierten Gases durch ein zwangsgesteuertes Ventil erfolgt, das sich synchron mit dem Kolbenumlauf öffnet und dessen Öffnungszeit durch die Differenz zwischen Saug- und Aus­ stoßdruck bestimmt wird. Dadurch wird erreicht, daß das Kompressionsvolumen erst dann, wenn der gewünschte Aus­ stoßdruck erreicht ist, mit dem Ausstoßraum in Verbindung gebracht wird.

Das Problem wird erfindungsgemäß also dadurch gelöst, daß zwei gegenläufige zylindrische Rotoren verwendet werden, von denen einer mit mindestens zwei volumetrisch am Umfang angeordneten Zahnleisten und der andere mit entsprechenden Vertiefungen versehen ist, wobei an einer oder beiden Stirnseiten des kreisförmigen Kompressionsraumes Ausstoß­ öffnungen angebracht sind, die durch eine Abdeckblende, die durch den Differenzdruck zwischen Ansaug- und Ausstoßdruck in der Weise freigegeben bzw. verschlossen werden, daß der Kompressionsraum erst dann, wenn der gewünschte Ausstoßdruck erreicht ist, mit dem Ausstoßraum kommuniziert.

Dabei wird von den bekannten Wälzkolbenpumpen, mit sich be­ rührungslos gegeneinander abwälzenden, durch Zahnräder mitein­ ander synchronisierten Rotoren ausgegangen. Jedoch werden vorzugsweise nicht zwei gleichartige Kolben mit lemniskaten­ förmigem Profil verwendet, sondern Kolben mit zwei verschie­ denartigen Abwälzprofilen. Einer dieser Wälzkolben trägt zwei oder mehrere auf dem Umfang eines zylindrischen Kerns parallel zur Achse in gleichen Abständen angeordnete Zahnleisten, die periodisch in entsprechende Vertiefungen des zweiten synchron mitlaufenden Wälzkolbens eintauchen. Das Neue ist, daß hierbei das komprimierte Gas nicht wie bei den bisher verwendeten Wälz­ kolbenpumpen durch einen direkt mit dem Kompressionsraum ver­ bundenen Ausstoßkanal im peripheren Pumpengehäuse nach außen geleitet wird, sondern durch mehrere Öffnungen in der Stirn­ fläche des Kompressionsraumes, die je nach dem Betriebszustand der Pumpe durch eine Blende mehr oder weniger abgedeckt sind, ausgestoßen wird. Die Verbindung zum Ausstoßraum wird auf diese Weise erst dann freigesetzt, wenn das geförderte Gas durch innere Verdichtung den Ausstoßdruck erreicht hat.

Durch entsprechende Formgebung des Zahnprofiles und des Gegenprofiles läßt sich der Totraum auch ohne Ölüber­ schichtung so weit verkleinern, daß er in der Größen­ ordnung von 1/100stel des Fördervolumens liegt. Durch zweckmäßige Formgebung kann auch vermieden werden, daß bereits verdichtetes Gas wieder in den dahinterliegenden Förderraum zurückströmt und dadurch zusätzliche Rückströ­ mungsverluste verursacht.

Auf diese Weise gelingt es, eine nahezu vollkommene innere Verdichtung zu verwirklichen und auch bei Verdich­ tung auf Atmosphärendruck den Leistungsbedarf niedrig zu halten und eine zu starke Erwärmung der Pumpe zu vermeiden, d. h. ähnliche Betriebsbedingungen wie bei einer Ölrotati­ onspumpe ohne den Nachteil der niedrigen Drehzahl zu erreichen.

Im folgenden wird die erfindungsgemäße Pumpe näher beschrie­ ben:

Fig. 1 zeigt einen Schnitt senkrecht zur Achse des Gehäuses und

Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße einstufige Pumpe mit fliegend gelagerten Kolben.

Fig. 1 entspricht der Schnittlinie EF in Fig. 2 und Fig. 2 der Schnittlinie A B C D in Fig. 1. Fig. 3 zeigt verschiedene Phasen des Verdichtungsvorganges.

In Fig. 1 hat der Wälzkolben 1 zwei Zahnleisten 2, die in die entsprechenden Vertiefungen 3 des Gegenkolbens 4 ein­ greifen. Die eingezeichneten Pfeile zeigen die Drehrichtung der Kolben 1 und 4. Das Gas wird bei 5 angesaugt, wird im Raum 6 verdichtet und über Bohrungen 7 in der Stirnseite des Kompressionsraumes 6 wieder ausgestoßen. Auf der dem Ausstoßraum zugewendeten Seite des den Schöpfraum begren­ zenden Deckels 8 befindet sich eine Abdeckblende 9, die am Deckel 8 bei 10 drehbar gelagert ist (siehe auch Fig. 2). Zwei Anschläge 11 und 12 begrenzen ihre Drehbewegung.

In der ausgezogen gezeichneten Position der Abdeckblende sind alle Ausstoßöffnungen 7 frei. Sie entspricht dem Betriebszustand, bei dem die Drücke auf der Ansaug- und Ausstoßseite etwa gleich sind.

In der gestrichelt gezeichneten anderen Endposition sind alle Ausstoßöffnungen 7 außer einer abgedeckt.

Sie entspricht dem Betriebszustand, bei dem die Ansaug­ seite unter Vakuum und die Ausstoßseite auf Atmosphären­ druck ist. Die Verbindung vom Kompressionsraum zu der oder den Ausstoßöffnungen erfolgt über Öffnungen 13 in einer Stirnscheibe 14 (siehe Fig. 2), die mit dem Kolben 1 mit­ rotiert.

Fig. 2 zeigt die Antriebsachse 15 des fliegend gelagerten Kolbens 1 im Pumpengehäuse 16, das auf der Ausstoßseite durch den Deckel 17 abgeschlossen wird. Die Lagerung des Kolbens 4 ist identisch. Außerdem ist hier eine pneumati­ sche Lösungsmöglichkeit für die Betätigung der Abdeckblen­ de 9 dargestellt. In zwei Bohrungen des Gehäuses 16 befinden sich zwei Federbälge 18 und 19. Der erstere ist auf seiner Innenseite mit der Atmosphäre verbunden, der andere mit der Ansaugseite der Pumpe. Eine vorgespannte Feder 20 im Inneren, die mit einer Schraube 21 nachstellbar ist, sorgt dafür, daß der Federbalg bei seiner Bewegung immer in dem vom Hersteller vorgeschriebenen günstigsten elastischen Bereich bleibt. Beide Federbälge sind mit einem Seilzug 22, der über Umlenkrollen 23 und 24, die an Lagerblöcken 25 und 26 befestigt sind, geführt ist, mit der Abdeckblende 9 verbunden. Der Seilzug ist an der Abdeckblende bei 27 (siehe Fig. 1) befestigt. Zur Befestigung der Federkörper im Gehäuse dienen zwei Niederhalter 28 und 29. Sie sind gegen den Ausstoßraum 30 durch Gummidichtungen abgedichtet.

Arbeitet die Pumpe gegen Atmosphärendruck, so bleibt der Federbalg 18 neutral, da auf seiner Innen- und Außenseite gleicher Druck herrscht. Das gleiche gilt am Anfang auch für den Federbalg 19. Sobald an der Ansaugseite ein Unter­ druck entsteht, wird er sich jedoch zusammenziehen und die Blende bei der in Fig. 1 gezeigten Stellung gegen den Uhr­ zeigersinn allmählich bis zum Anschlag 12 drehen.

Solange auf der Ansaugseite Atmosphärendruck herrscht, wird das geförderte Gas nur wenig verdichtet bis zum Zeitpunkt, bei dem die Ausstoßöffnung 13 mit der ersten Bohrung 7 zur Deckung kommt. Mit sinkendem Ansaugdruck wird durch die Drehung der Blende erreicht, daß die Ver­ bindung zum Ausstoßraum 30 auch in diesem Fall erst dann hergestellt wird, wenn das Gas annähernd auf Atmosphären­ druck verdichtet ist. Die Auffüllung des Kompressionsrau­ mes bereits am Anfang der Kompressionsphase, die bei den Pumpen des Rootstyps normalerweise eintritt, wird also verhindert. Die Kompressionsleistung wird dadurch auf das Mindestmaß reduziert und die Rückströmung vom Kompres­ sionsraum zur Ansaugseite wegen des verzögerten Druck­ anstieges verringert. Man kann deshalb auch auf eine Umweg­ leitung zur Begrenzung des Differenzdruckes oder auf einen Drehmomentwandler zur Begrenzung der aufzuwendenden Motorleistung verzichten. Außerdem bleibt auf diese Weise analog wie bei der Ölrotationspumpe das volle Saugvermögen vom Atmosphärendruck bis in die Nähe des Enddruckes erhalten.

Wird die Pumpe als zweistufiges Aggregat unter Verwen­ dung einer Vorpumpe eingesetzt, so wird auch im Ausstoß­ raum eine Druckerniedrigung stattfinden, d. h. die Druck­ differenz am Federbalg 19 verschwindet. Dafür entsteht am Federbalg 18 eine Druckdifferenz. Dieser wird sich aus­ dehnen und dafür sorgen, daß die Abdeckblende 9 auch in diesem Fall in die richtige Stellung kommt.

Die pneumatische Betätigung der Abdeckblende ist nur eine der möglichen Lösungen. Wenn der Platz für den Einbau der Federbälge nicht zur Verfügung steht, kann auch ein Servo­ antrieb verwendet werden, der z. B. an einem Ritzel am Umfang der Abdeckblende angreift und der durch zwei piezo­ resistive Druckmesser auf der Ansaug- und Ausstoßseite der Pumpe angesteuert wird. Es genügen hierfür billige Druck­ messer mit geringer Genauigkeit.

In Fig. 3 sind verschiedene Phasen des Verdichtungsvorganges bei der erfindungsgemäßen Pumpe dargestellt. Die Positionen a, b, c, d, e, f der Zahnachse entsprechen den Positionen a′, b′, c′, d′, e′, f′ der entsprechenden Vertiefung im Gegenkolben. Man sieht, daß der Zahn in Pos. a, sobald er das Ende 32 des ringförmigen Förderraumes 33 erreicht hat, sofort mit der gegenüberliegenden Vertiefung (Pos. a′) in Eingriff kommt, so daß das im Raum 34 verdichtete Gas nicht mehr in den dahinterliegenden Raum 33 zurückströmen kann. Das Gasvolumen 34 wird weiter verdichtet. In Pos. e, e′ ist die Verdichtung abgeschlossen. Bis zur Pos. f, f′ ist der Ansaugraum 35 durch die Zahnflanke vom Verdichtungsraum 33 getrennt. Von da an wird die Abdichtung wieder durch die Spaltdichtung der beiden Wälzkolben bei 36 übernommen.

Bis kurz vor Pos. e, e′ kommuniziert der Raum auf der Rückseite des Zahnes mit 33, in dem zu diesem Zeitpunkt nur eine geringe Verdichtung eingetreten ist, so daß bei Überschreiten der Pos. f, f′ auch aus diesem Grunde keine nennenswerte Gasmenge aus diesem Raum zur Ansaugseite, übertreten kann.

Die erfindungsgemäße Wälzkolbenpumpe kann nicht nur zur Vakuumerzeugung, sondern auch zur Erzeugung von Überdruck eingesetzt werden. Das eingangs erwähnte Problem, das beim Einsatz von Wälzkolbenpumpen des Rootstyps bei höheren Ausstoßdrücken auftritt, nämlich die erhöhte Verdichtungsarbeit durch mangelnde innere Kompression, tritt auch mehr oder weniger bei den bekannten Wälzkolben­ kompressoren auf.

Der vorgeschlagene, neuartige Wälzkolbenverdichter bringt deshalb auch auf diesem Anwendungsgebiet wichtige Vorteile.

Claims (4)

1. Wälzkolbenpumpe mit zwei gegenläufigen, zylindrischen Rotoren (1, 4), von denen einer mit mindestens zwei vo­ lumetrisch am Umfang angeordneten Zahnleisten (2) und der andere mit entsprechenden Vertiefungen (3) versehen ist, wobei an einer oder beiden Stirnseiten des kreis­ förmigen Kompressionsraumes (6) zu einem Ausstoßraum (30) führende Ausstoßöffnungen (7) angebracht sind, wel­ che mit einer druckabhängig verstellbaren Abdeckblende (9) zum Freigeben bzw. Schließen der Ausstoßöffnungen versehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Betäti­ gung der Abdeckblende (9) pneumatisch durch einen im Ausstoßraum (30) befindlichen Federbalg (19) erfolgt, dessen Innenraum mit der Ansaugseite der Pumpe verbun­ den ist, wobei die Abdeckblende (9) durch den Differenz­ druck zwischen Ansaug- und Ausstoßdruck in der Weise ge­ steuert wird, daß der Kompressionsraum (6) erst dann mit dem Ausstoßraum (30) kommuniziert, wenn ein gewählter Ausstoßdruck erreicht ist.

2. Wälzkolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie als atmosphärenseitige zweite Stufe für eine Wälzkolbenpumpe klassischer Bauart verwendet wird.

3. Wälzkolbenpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie als zweite Stufe in einem gemeinsamen Gehäuse auf gemeinsamen Achsen angeordnet ist.

4. Wälzkolbenpumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Stufe fliegend gelagert ist.