DE3815158A1 - Verfahren zur verringerung der druckpulsation einer verdraengerpumpe, insbesondere einer schraubenspindelpumpe und eine danach ausgefuehrte schraubenspindelpumpe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verringerung der Druckpulsation einer Verdrängerpumpe, insbesondere einer Schraubenspindelpumpe sowie eine nach diesem Verfahren wirkende Schraubenspindelpumpe.

Bei einer Schraubenspindelpumpe findet von der Wirkung der Verdränger her eine pulsationsfreie Förderung statt, weil das Verschieben der Förderkammern von der Saugseite zur Druckseite hin kontinuierlich erfolgt. Während dem Ablauf einer Umdrehung ergeben sich in der Praxis jedoch periodisch wiederkehrende Druckpulsationen.

Die Erklärung dafür ist einmal, daß während des Ablaufs einer Umdrehung die Anzahl der Dichtlinien um mindestens eine schwankt. Durch genaue Längenverhältnisse von Schraubenspin­ delngewinde und dem umgebenden Laufgehäuse läßt sich die Zeit­ spanne der Mehrdichtlinie beeinflussen. Während der Zeitspanne der Mehrdichtlinie ist der Förderstromverlust geringer, das be­ deutet, daß für diese Zeitspanne ein Druckanstieg zu verzeich­ nen ist.

Andererseits gibt es während des Ablaufes einer Umdrehung auch Druckeinbrüche und zwar jedes Mal dann, wenn eine Förderkammer an der Druckseite öffnet. Die Erklärung dafür ist, daß der Druck in der Förderkammer mit dem Öffnen in kurzer Zeit auf das höhere Niveau des Endförderdruckes gebracht wird und hierbei erfolgt eine Kompression der in der Praxis nicht vorhandenen idealen Flüssigkeit, die mit einer Volumeneinbuße verbunden ist.

Um die Pulsation möglichst gering zu halten, werden in der Praxis hauptsächlich folgende Wege eingeschlagen:

• a) Der gebräuchlichste Weg ist der einer möglichst genauen Fer­ tigung und Längenabstimmung von Spindeln und Gehäuse verbun­ den mit einer großen Spindellänge und kleiner Spindelstei­ gung. Hierbei ergibt sich eine große Anzahl von geschlosse­ nen Dichtlinien zwischen der Druckseite und der Saugseite der Pumpe, so daß sich das Schwanken um eine Dichtlinie nicht allzusehr auswirkt. Dieser Weg ergibt technisch gese­ hen gute Pumpen, er ist jedoch infolge der hohen Herstell­ kosten in der Regel nicht gewünscht.
• b) Ein weiterer Weg besteht darin, daß bewußt der Förderstrom­ verlust in der Pumpe vergrößert wird, z.B. durch Abfasen der Spindeln oder durch Anbringen von Bypässen zwischen dem Hoch- und Niederdruckbereich. Dieser Weg, der eine Dämpfung der Pulsation ergibt, ist infolge der Wirkungsgradeinbuße und der damit verbundenen Überdimensionierung der Pumpen in der Regel unwirtschaftlich.
• c) Ein weiterer gängiger Weg, die Pulsation in der Anlage zu bekämpfen, besteht in der Verwendung von Pulsations- und Schalldämpfern, die in die Förderleitung eingebaut werden. Dieser Weg, der ebenfalls nicht billig ist, bringt nicht immer den gewünschten Erfolg, weil die richtige Auslegung, die für jeden Einsatzfall extra erfolgen muß, sehr schwierig ist, denn für die Auslegung des Pulsationsdämpfers ist nicht nur die Pumpe als Einflußfaktor sondern auch die nachfolgen­ de Anordnung der Rohrleitung und Flüssigkeitsabnehmer zu be­ rücksichtigen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Verfahren zur Pulsationsverminderung an Verdränger­ pumpen insbesondere von Schraubenspindelpumpen zu finden und eine nach diesem Verfahren arbeitende Schraubenspindelpumpe zu entwickeln, die preisgünstig herzustellen ist und die mit gutem Wirkungsgrad arbeitet.

Zur Lösung dieser Verbindung wird ein Verfahren der eingangs erwähnten Art vorgeschlagen, bei dem die arttypische Druckpul­ sation mit einer erzwungenen inversen Druckpulsation überlagert wird. Die erzwungene inverse Druckpulsation erfolgt dabei vor­ zugsweise durch periodisches Absteuern eines Teiles des Förder­ stromes an der Druckseite der Schraubenspindeln.

Die Schraubenspindelpumpe bei der das erfindungsgemäße Verfah­ ren Anwendung findet, weist dabei druckseitig zumindest eine Blende mit einem Abfluß zur Saugseite auf, wobei die Blende periodisch abhängig von der Drehstellung der Schraubenspindeln mittels einem Verschlußorgan abgedeckt ist.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unter­ ansprüchen.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die nach diesem Verfahren wirkende Schraubenspindelpumpe wird anhand von verschiedenen Ausführungsbeispielen in der Zeichnung wiedergegeben und näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine erfindungs­ gemäß ausgeführte Schraubenspindelpumpe

Fig. 2 zeigt die Druckpulsation dieser Schraubenspin­ delpumpe

Fig. 3 und Fig. 4 zeigen alternative Detailausführungen der Schraubenspindelpumpe gemäß Fig. 1 in der dort eingetragenen Sichtrichtung X

Fig. 5 zeigt eine Variante der Schraubenspindelpumpe gemäß Fig. 1

Fig. 6 zeigt eine Teilansicht dieser Schraubenspindel­ pumpe in der Sichtrichtung Y

Fig. 7 und Fig. 8 zeigen weitere Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Schraubenspindelpumpe.

Die in Fig. 1 dargestellte dreispindelige Schraubenspindelpum­ pe mit jeweils zweigängigen Schraubenspindeln besitzt im we­ sentlichen den üblichen Aufbau einer innengelagerten Pumpe mit einer Antriebsspindel 1 und zwei seitlich angeordneten Lauf­ spindeln 2, 3, die in den sich überschneidenden Aufnahmeboh­ rungen 4 des Gehäuses 5 direkt radial gelagert sind. In dem Gehäuse 5 ist ein Druckraum 6 und ein Saugraum 7 vorhanden, wobei das Gehäuse an den Endseiten mit einem saugseitigen Pumpendeckel 8 und einem druckseitigen Pumpendeckel 9 ver­ schlossen ist. Die durch den druckseitigen Pumpendeckel 9 ge­ führte Antriebsspindel 1 ist im Bereich der Durchführungsboh­ rung 10 in üblicher Weise mit einem Axialschubausgleichskolben 11 versehen und mit einem zusätzlichen Lager 12, das in einem Deckelaufsatz 13 untergebracht ist, zusätzlich abgestützt. In dem Deckelaufsatz 13 ist weiter die Wellenabdichtung 14 ange­ ordnet. Der Innenraum 15 des Deckelaufsatzes ist vom Förder­ druck entlastet, in dem die vom Druckraum 6 eindringende Flüs­ sigkeit über einen Entlastungskanal 16 abgeführt wird, der über eine Verbindungsbohrung 17 im Gehäuse 5 in den Saugraum 7 ein­ mündet.

Die Darstellungsweise der Pumpe ist bewußt einfach gehalten, da allzuviel Details, z.B. für den häufig praktizierten Axial­ schubausgleich der Laufspindeln nur die Übersicht erschweren würden.

Eine normal ausgeführte Schraubenspindelpumpe, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, erzeugt einen Förderstrom, dessen Förder­ druckverhalten während des Ablaufs der Umdrehungen den in Fig. 2 dargestellten Verlauf hat. Die Darstellung ist etwas ideali­ siert, entspricht jedoch weitgehend der Praxis. Man sieht, daß ausgehend von einem über einen großen Teil der Umdrehungen in etwa konstanten Druck p _m Druckberge mit der Höhe p _max und Drucktäler mit der Tiefe p _min ausgebildet sind und zwar je Umdrehung zweimal. Die doppelte Ausbildung pro Umdrehung ist auf die Zweigängigkeit der Schraubenspindeln zurückzuführen, denn es werden pro Umdrehung zwei an der Druckseite ankommende Förderkammern geöffnet. Die Größe einer Förderkammer ist in Fig. 1 durch die Punktierung dargestellt.

Der Druckberg p _max hat seine Ursache darin, daß vor dem Öffnen der Kammer die Dichtlinienanzahl um jeweils eine erhöht ist, das Drucktal p _min entsteht durch den Kompressionsstoß jeweils dann, wenn die Förderkammer an der Druckseite öffnet.

Erfindungsgemäß wird nun die vorhandene Pulsation, d.h. die Druckberge und die Drucktäler, beseitigt oder verringert, indem, wie in Fig. 2 durch die gestrichelte Linie 18 darge­ stellt, eine zur vorhandenen Pulsation inverse Pulsation er­ zeugt wird, mit dem Zweck, daß sich die Druckberge und Druck­ täler gegenseitig ausgleichen.

Die inverse Pulsation wird in der Pumpe gemäß Fig. 1 durch eine Blende z.B. eine Bohrung 19 im druckseitigen Pumpendeckel 9 erreicht, die periodisch abhängig von der Drehstellung der Spindeln z.B. von der Antriebsspindel 1 mit einem Verschlußor­ gan geöffnet und verschlossen wird. Ein solches Verschlußorgan ist der Drehschieber 20. Bei geöffneter Blende wird ein Teil des Förderstromes in den druckentlasteten Innenraum 15 des Deckelaufsatzes 13 abgeführt. Um die Pulsation ganz zu besei­ tigen, muß über die Blende - außer in der größten Tiefe des Drucktales - immer Förderflüssigkeit abgeführt werden, wobei die abgeführte Flüssigkeitsmenge während des Ablaufes einer Umdrehung nicht konstant bleibt. Die Bedeckung der Blende bzw. Bohrung 19 durch den Drehschieber 20 muß deshalb auf den Pul­ sationsverlauf abgestimmt sein.

Im unteren Teil des Pulsationsdiagrammes entsprechend Fig. 2 ist in Abhängigkeit von der Drehstellung auch die jeweilige Blendenstellung wiedergegeben. So ist die Bohrung 19 im Bereich c _o /a ganz offen, im Bereich a/b durch den Drehschieber 20 ge­ schlossen und im Bereich b/c teilweise überdeckt.

Die sich überlagernden Pulsationen der Pumpe und der Blende er­ geben bei optimaler Abstimmung einen konstanten Druckverlauf, der dem Wert p _min entspricht.

Für den Drehschieber 20 ergibt sich dabei die in Fig. 3 darge­ stellte Form einer Scheibe mit unterschiedlich hohen Nocken 21, 22 sowie Aussparungen 23, die entsprechend den in Fig. 2 mit Buchstaben a, b und c gekennzeichneten Drehstellungen und Überdeckungsgraden angeordnet sind. Die detaillierte Form des Drehschiebers sowie die Größe der Blende wird vorzugsweise durch Versuche festgestellt.

Es ist auch möglich, den Drehschieber so auszubilden, daß nur Teile des Pulsationsablaufes angeschnitten werden. Bei der in Fig. 4 dargestellten Ausführung des Drehschiebers ist die Blende nur geöffnet, im Bereich der Druckberge p _max also in der Drehstellung von c _o nach a und von c nach a′. Somit werden auch nur die Druckberghöhen p _max abgeschnitten, während die Druck­ taltiefen p _min erhalten bleiben.

In der Zeichnung sind nur zwei mögliche Varianten wiedergege­ ben, natürlich lassen sich durch entsprechende Ausbildung von Drehschieber und Blende unzählige weitere Varianten und Effekte erzielen.

Durch die erfindungsgemäße Maßnahme wird ein Bypass von der Druckseite zur Saugseite hergestellt, über den ein Teil des Förderstromes der Pumpe abgeleitet wird. Die abzuleitende Flüs­ sigkeitsmenge wird um so größer, je höher die Druckberge und je tiefer die Drucktäler ausgebildet sind. Es kann deshalb vor­ teilhaft sein, wenn durch geeignete Maßnahmen die Druckberge und Drucktäler entschärft werden. So ist es z.B. möglich, wie in den Fig. 5 und 6 dargestellt, in den Aufnahmebohrungen 4 am druckseitigen Ende des Gehäuses 5 sich zum Saugraum 7 hin verjüngende Keilschrägen 24, 25 einzuarbeiten. Durch diese Keilschrägen erfolgt die Öffnung der Förderkammer an der Druck­ seite nicht schlagartig, sondern allmählich, so daß der Druck­ anstieg durch die kurzzeitige Erhöhung der Dichtlinienzahl gedämpft wird und der Kompressionsstoß weitgehend unterdrückt wird.

Die Anordnung der Blende und dem zugehörigen Verschlußorgan ist nicht auf die in den bisherigen Figuren dargestellte Aus­ führung begrenzt. Es sind hier ebenfalls verschiedene Anordnun­ gen möglich, auszugsweise werden davon in Fig. 7 und 8 weitere Beispiele gezeigt.

Bei der Ausführung gemäß Fig. 7 ist die Blende eine in die Aufnahmebohrung 4 reichende Öffnung 26, die mit dem Profilkopf 27 der Laufspindel 3 zusammenarbeitet.

Wie durch den gestrichelt gezeichneten Kreis 28 dargestellt, könnte die Bohrung 26 jedoch auch auf den Profilkopf 29 der Antriebsspindel 1 ausgerichtet sein. Es ist auch möglich, beide Anordnungen in Kombination anzuwenden.

Die Anordnung in Fig. 7 ist besonders preisgünstig herzustel­ len, da gegenüber dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 die Anordnung des Drehschiebers 20 entfällt.

In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 8 ist der Drehschieber als ein mit Schlitzen 30 versehener Ringbund 31 ausgebildet, wobei - wie dargestellt - der Ringbund und der Axialschubaus­ gleichskolben 11 einstückig ausgeführt sein können. Die Blende ist hier in Form einer radial auf den Ringbund 30 ausgerich­ teten Öffnung bzw. Bohrung 32 vorgesehen, die in der den Ring­ bund umschließenden Bohrung 33 eingearbeitet ist.

Claims (8)

1. Verfahren zur Verringerung der Druckpulsation einer Ver­ drängerpumpe, insbesondere einer Schraubenspindelpumpe, dadurch gekennzeichnet, daß die arttypische Druckpulsation mit einer erzwungenen inversen Druckpulsation überlagert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die inverse Druckpulsation durch periodisches Absteuern eines Teiles des Förderstromes an der Druckseite der Förderschrau­ ben erzielt wird.

3. Verdrängerpumpe, insbesondere Schraubenspindelpumpe zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß druckseitig zumindest eine Blende mit einem Abfluß zur Saugseite ausgebildet ist, die periodisch abhängig von der Drehstellung der Schraubenspindeln mittels einem Verschlußorgan abgedeckt ist.

4. Verdrängerpumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende durch eine Bohrung (19) im Druckraum (6) gebildet ist und das Verschlußorgan ein mit einer der Schraubenspin­ deln (1, 2, 3) vorzugsweise der Antriebsspindel (1) gekop­ pelter Drehschieber (20) ist.

5. Verdrängerpumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehschieber (20) eine mit Nocken (21, 22) und Ausspa­ rungen (23) versehene Scheibe ist.

6. Verdrängerpumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende durch zumindest eine in eine Aufnahmebohrung (4) der Schraubenspindeln reichende Öffnung (26) ist, und der Drehschieber durch die Profilköpfe (27, 29) der in der Auf­ nahmebohrung umlaufenden Schraubenspindeln (1, 2, 3) gebil­ det ist.

7. Verdrängerpumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehschieber durch einen mit in den Druckraum (6) reichenden Schlitzen (30), versehenen vorzugsweise an der Antriebsspindel (1) ange­ brachten Ringbund (31) gebildet ist, und die Blende in Form zumindest einer radial auf den Ringbund (31) ausgerichteten Bohrung (32) in einer eng den Ringbund umschließenden Lagerbohrung (33) eingearbeitet ist.

8. Verdrängerpumpe nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß am druckseitigen Ende in zumindest einer der Aufnahmebohrungen (4) des Pumpengehäuses (5) eine sich in Richtung zum Saugraum (7) verjüngende Keilschräge (24, 25) eingearbeitet ist.