Mit Trägheitskraft arbeitende Kolbenpumpe. Vorliegende Erfindung betrifft eine mit Trä@gheitslzraft arbeitende Kolbenpumpe, wel- e lie eine mit Schwungrad versehene Welle und einen darauf sitzenden Nocken aufweist, welcher so konstruiert ist, dass er mittels einer Rolle an einem Sehwinghebeil und an diesem befestigten Zugelementen einem mit einer Rückholfeder verbundenen Kolben mit IUickschlagventil eine derart hohe, während ,
eines besamten Förderhubes gleichmässig zu nehmende Geschwindigkeit erteilt, dass in der vom Kolben geförderten Wassersäule in der Förderleitung eine Trägheitskiaft entsteht, welche während des durch die Feder bewir ten Kolbenrücklaufes die Wirkung eines Kolbens übernimmt und Wasser fördert, so, dass die Pumpe kontinuierlich fördert.
Pumpen im allgemeinen, welche mit hin- und hergehenden Kolben Flüssigkeit fördern, geben oftmals infolge gewisser Zusammen hänge Anlass zu Schwierigkeiten, welche ganz besonders bei Tiefbrunnenpumpen auftreten, wenn man die Leistung durch Steigern der Tourenzahl erhöhen möchte.
Nicht nur die Grössenverhältnisse und ,der Materialaufwand der Tiefbrunnenpumpen gegenüber den ge- wölinliehen, über Flur liegenden Pumpen, be zogen auf ihre Leistung, ist auffallend schlecht, sondern es gibt auch noch andere Eigenselraften, deren sie ermangeln, wie z. B. (einen gleichmässigen Wasserstrom, welchen man bei Tiefbrunnen(pumpen sowie bei andern Pumpen bisher vergeblich herzustellen ver suchte.
Die Abmessungen, Gewichte, Kräfte und Beschleunigungsdrücke sind direkt abhängig von der Tourenzahl, Hubzahl, Kolbenge schwindigkeit, Wassergeschwindigkeit usw.
Man glaubte bisher, einen stoss- oder schlagfreien Gang (was auch für die Lebens dauer von ausschlaggebender Bedeutung ist) nur durch Einhalten einer geringen Hubzahl ,erreichen zu können, und bei über Flur lie genden Pumpen mit einem starr an einer kurzen Schubstange angeschlossenen Kolben hat man die Anwendung von Windkesseln, möglichst grossen Durchgängen in den Ven tilen und ausserdem noch ein fortwährendes Ansaugen von Luft durch Schnüffelventile als unbedingt notwendig gefunden, um die Tourenzahl bzw. Leistung in die Höhe zu treiben. Mit einem Leistungsgrad von 95 war man zufrieden.
Auf beiliegenden Zeichnungen ist ein Ausführunggsibeispiel des Erfindungsgegen standes dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 teilweisse einen Längsschnitt, teil weise eine Ansicht der Pumpe, Fig. 2 eine Darstellung der Nockenanord- nung und Fig. ä ein. Diagramm von Nockenerhe- bungskurven.
Bei der erfindungsgemässen Kolbenpumpe kann der volumetrische Wirkungsgrad, be zogen auf den Arbeitshub des Kolbens, 175 bis<B>190%</B> betragen.
Nur der Entdeckung oder Erkenntnis:, wie Geschwindigkeiten, Hubzahlen.und Massen- beschleunigungen eine nutzbare Trägheits kraft erzeugen können, ist es zuzuschreiben, dass die vorliegende Pumpe bei entsprechen- der Ausbildung praktisch ein solch hervor ragendes Resultat ergeben kannte, und zwar dadurch, dass die Antriebselemente und die Wasserführungsrohre so konstruiert werden,
dass der Wassersäule im Förderhub vom Kolben eine gleichförmig gesteigerte Ge schwindigkeit erteilt wird, so dass sie als Spei cher einer Trägheitskraft dient, die während des Kolbenrücklaufes die Funktion eines Kol bens übernimmt, wodurch die Wirkung einer Doppelkolbenpumpe erreicht wird.
Hierdurch konnte auch die Tourenzahl erhöht werden und durch ein kleines Schwungrad ein gleich- förmiger, schlag- und stossfreier Betrieb her gestellt werden.
Tiefbrunnenkolbentpumpen mit auf Flur höhe befindlichem Triebwerk und in einem Bohrloch eingehängtem Zylinder mit Kolben sind an Umstände gebunden, welche die ein- gangsi beschriebenen Vorkehrungen der ge wöhnlichen Pumpen nur sehr umständlich anzuwenden erlauben. In -der Mehrzahl wur den Pumpen fabriziert, die nur mit sehr ge ringer Dreh- und Arbeitshubzahl (40 pro Mi nute) arbeiten, deraat, dass der Rückwärts gang des Kolbens nur durch sein Eigen gewicht und dasjenige der Kolbenstange be werkstelligt wurde.
Die Folge war, dass eine befriedigende Fördermenge nur auf Kosten von Grössenverhältnissen, grossen Querschnit ten, grossen Gewichten, grossem Materialauf wand; grossen Kräften möglich waren, und nicht dies allein, sondern die bei jedem Hub zu beschleunigende Masse der Wassersäule, ausserdem das für die sehr geringe Touren zahl erforderliche umfangreiche Getriebe, der periodisch ungleichförmige Antrieb (pro Mi nute 40mal wechselnd von Null auf Maxi mum), was kaum durch ein überdimensionier tes Schwungrad verbessert werden könnte, wollte man es auf der Antriebswelle anbrin gen,
bedeuten Nachteile. Alle diese Betrach tungen gaben Anstoss zu versuchen, diese nachteiligen Umstände zu umgehen, - was durch die vorliegende Erfindung auch mög- lieh ist. Der Kern dieser Erfindung liegt hauptsächlich in folgenden physikalischen Erkenntnissen: 1. Nutzbarmachung einer Wassersäule, indem man sie wie einen festen Körper als Speicher einer Trägheitskraft benützt und ihr (der Wassersäule) eine relativ hohe Ge schwindigkeit (z. B. 2-2,5 mjsek) gibt, was bei Tiefbrunnenpumpen z.
B. zu einem Teil durch ein relativ enges Steigrohr, z. B: von 14-16 mm Durchmesser, zum andern Teil durch eine Erhöhung der Hubzahl (z. B. 200 bis 250 pro Minute für 1200-1500 Liter Stundenleistung) erreicht werden kann.
2. Die Erhöhung der Hubzahl oder Dreh zahl ergibt auch varteilhafterweiseeine Ver kürzung der Zeit für den Rücklauf des Kol bens z. B. von 0,75 auf 0,12 sek entsprechend z. B. n = 240 statt n = 40 pro Minute bei gewöhnlichen Pumpen.
3. Die hohe Hubzahl praktisch anzuwen den, wurde für den Rücklauf z. B. am saug seitigen Ende des Kolbens eine Zugfeder be festigt, die ihren Halt am untern Teil des Zylinders besitzt.
4. Die Federkraft erhöht wohl die erfor derliche Kraft zum Fördern bzw. Heben der Wassersäule und gibt einen ungleichföxmigen Kraftbedarf für den Antrieb. Dieser Un gleichförmigkeit wurde dadurch entgegenge wirkt, dass die Antriebscheibe als Schwung rad, zweckmässig mit einem Griff für Hand betrieb, ausgebildet wurde, wodurch schon mit einem Schwunggewicht z.
B. von 10 kg ein derart günstiger Ungleichförmigkeitsgrad er reicht werden kann, dass am Antriebsriemen kaum noch etwas jvon der Ungleichförmigkeit zu merken ist. Auch hier ergab die Erhöhung der Tourenzahl einen entscheidend günstigen Ausschlag.
5. Der Antrieb des Kolbens einer Tief- brunnenrpumpe erfolgt bei den gewöhnlichen Pumpen meist durch eine Kurbelwelle oder ein kurbelähnliches Getriebe mit zum Teil aus dem Zentrum sitzender Geradführung, um beim Aufwärtshub eine günstigere Kraft wirkung zu haben und auch, um eine gleich- m < il@i@"@,re Hebegechwindigkeit zu erreichen. Die mittlere Hebegeschwindigkeit beträgt bei I),:3 Liter/sek und einem Steigrohr von 35 mm liehtf r Weite gleich 300 cm' : 9,6 ein\ = ca.
30 cm!sek und, weil die Förderung nur im Auf -ä.rtshub erfolgt, v = 30 cm,' sek : 0,5 = 60 eni!elz oder 0,6 m/sek, die aber auch hier cIurc,h einen wohl sehr geringen Beharrungs- ziil;tand der Wassersäule einer Schwankung etwa. 0,12-1,2 m/sek unterworfen sein dürfte (also eine Schwankung von etwa. l.000 % ).
Wollte man bei der vorliegenden Erfindung einen Kurbeltrieb anwenden, wo- Iwi man erfahrungsgemäss eine mittlere Ge- sehwindigkeit z. B. von mindestens 2 m/sek zugrunde legen müsste, so würden sich Be- >ciiIeunigungsdrücke ergeben, die konstruktiv nielit beherrscht werden könnten, um der Be anspruchung der Triebwerksteile standzu halten.
Es wird deshalb für den Antrieb des Kol bens ein Nockentrieb vorgeschlagen, der zweckmässig so ausgebildet ist, dass er zwangs läufig den Kolben mit derselben Geschwin digkeit zu heben beginnt, die der Wasser säule entspricht, um sie bis zum Ende des Kolbenhubes uni so viel zu beschleunigen, wie sie -,nährend des Abwärtshubes des Kolbens an (Teseliwindiglr,eit verloren hat (welche z. B. nur 1.0-25% und nicht<B>1000%</B> beträgt).
Der Nachweis, dass die Schwankung er- nur 10-25% betragen kann, ist darin begründet, dass ein volumetrischer Zirirhungsgra.d von 175-190% erzielbar ist, wie aus dem Nachfolgenden hervorgeht.
Eine erfindungsgemäss ausgebildete Haus- wa.sserpumipe mit einem Kolbendurchmesser von 3 cm= 7 cm' Kolbenfläche, 7 cm Hub und 230 Touren ergab eine b1inutenleistung von 21.,7 Liter. Rechnerisch könnte die Lei stung entsprechend der Leistung einer einfach wirkenden Pumpe nur 7 X 7 X 230 =11,3 Liter/min betragen. Der volumetrische Wir- ILungsgrad betrug also: ii = 21,7 Liter gemes sen X 100 : 11,3 Liter theoretisch = 192 %.
Nach einem Jahr und etwa 350 Stunden Be trieb ergab dieselbe Pumpe 20 Liter pro Minute oder r@ = 20 Liter X 100 : 11,3 Liter =176%.
Wäre die Förderung im Abwärtshub des Kolbens gleich dem Aufwärtshub oder eine theoretische Förderleistung von 11,3 X 2 = 22,6 und = 22,6 X 100: 11,3 = 200 %, so könnte man behaupten, die ;Schwankungen der Geschwindigkeit betragen 0 %. Im ersten Fall kann man, also eine Schwankung von 200 % -192 % = 8 % und im zweiten Fall 200 % -176 % = 24 % annehmen.
Die Betrachtung über die Schwankungen sind natürlich nur empirisch und sind auch noch von Zufälligkeiten der Werkausfüh rung abhängig. Auf jeden Fall war aber bei der vorgenannten Pumpe der Wasseraustritt unter Druck bis zu 2 Atm. so gleichmässig, dass an einem Strahlrohr mit zwischengeschal tetem Sehlauch von 3 m Länge von einer Schwankung überhaupt nichts zu merken ist, ohne Windkessel oder dergleichen.
Der Beharrungszustand der Wassersäule der genannten Hauswasserpumpe während der Zeit von 0,12 sek des Kolbenrücklaufes war derart gut, da.ss ein Saugventil weggelassen werden konnte und die Pumpe somit nur ein einziges Rückschlagventil besitzt, welches im Kolben untergebracht ist. Bedingung ist, dass sich der Zylinder einige Meter unterhalb des Wasserspiegels befinden muss.
6. Ein weiteres mit der relativ hohen Wassergeschwindigkeit verbundenes Pro blem betraf die Verminderung bzw. Regulie rung der Wassermenge, um in gewissen Fäl len ein übermässiges Mitreissen von Sand zu verhüten. Wie aus der Beschreibung hervor geht, ist ein stossfreies Arbeiten an eine ge wisse Tourenzahl und Wassergeschwindig keit gebunden, und wenn auch eine geringe Verminderung der Leistung, z.
B. durch Aus wechseln der Schwungscheibe oder der Nak- ken, noch keine besonderen Störungen er geben, so ist dies doch sehr umständlich. Eine vollständige Lösung wurde bei einer Tief brunnenpumpe dadurch erreicht, dass im Steigrohr unterhalb einer Stopfbüchse eine Abzweigung vorgesehen wurde, welche es er möglicht, bis zu 50 % des geförderten Was- sers wieder in das Bohrlochrohr zurückflie- ssen zu lassen.
Hierdurch wird bei gleichblei bender Geschwindigkeit im Steigrohr der Zufluss von unten und damit das Hochziehen von Sand vermindert.
Nach dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt der Antrieb des Kolbens 1 mit Rückschlagventil la durch das besonders schwere Schwungrad 2, das als Riemenscheibe dient und mit einer Handkur bel 3 versehen ist, die dasselbe tragende Welle 4, den auf der Welle sitzenden Nocken 5, die Rolle 6, den dieselbe tragenden Hebel 7; welcher an einem festen Punkt im Gehäuse 8 angelenkt ist, das am freien kreisförmigen Ende des Hebels befestigte Kabel oder Kette 9 und die Zugstange 10, die aus mehreren Teilen besteht, welche mit Spezialverbin dungsstücken 11 miteinander gekuppelt sind.
Für die Rückbewegung des Kolbens 1 dient die Feder 12, welche mit ihrem obern Ende unten am Kolben aufgeschraubt und mit ihrem untern Ende mittels eines Nippels 13 mit dem Zylinder 14 verbunden ist. Am Nippel 13 kann man wie üblich ein nach unten führendes Verlängerungsrohr 15, das mit Schlitzen 16 versehen ist, um das Eintre ten gröberer Sandkörner oder verwitterten Gesteins zu verhindern, anbringen.
Der Zylinder 14 hängt an dem ,Abstütz- bzw.Steigrohr 17. Dieses kann aus einem oder mehreren Mücken bestehen. Im letzteren Fall sind die Einzelteile mittels relativ langer Muffen 18 mit dem Zylinder bzw.
mitein ander verbunden., Diese Muffen 18 wurden deshalb relativ lang gemacht, um an den Stel len, an. denen sich die Verbindungsstücke 11 auf- und abbewegen, dem .Steigrohr 17 einen derart grossen Querschnitt zu geben, dass so wohl der Widerstand gegen den Wasserdurch- fluss als auch derjenige gegen die Rückbewe gung des Kolbens beseitigt wird.
Am obern Ende des Steigrohres. 17 ist ein rohrförmiges Abschlussstück 19, welches gleichzeitig als Stopfbüchsengehäuse dient, aufgeschraubt. In diesem befindet sich der Stopfbüchsenring 20, und aussen an ihm ist ein Gewinde für die Überwurfmutter 21 vor handen.
Das Abschlussstück 19 ist durch die Sohlplatte des.Gehäusesst 8 von unten hindurch geschoben und mit der Mutter 22 festge schraubt; ausserdem besitzt es einige Löcher 23, über welche eine kreuzförmige Hülse 24 gestreift ist, die mit der Mutter 22 auf die Sohlplatte angepresst wird.
Diese kreuzförmige Hülse 24 besitzt zwei Austritte. Auf der einen Seite befindet sich .der Hauptaustritt, mit dem die Rohrleitung 25, die nach dem Tank führt, verbunden ist, auf der andern Seite befindet sich ein klei nerer Austritt, der mit einem Stopfen 26 re- guliert werden kann. Von hier führt ein Loch 27 unter die Sohlplatte des Gehäuses 8, von wo das Wasser in den Ringspalt zwischen Bohrlochrohr 28 und Steigrohr 17 bzw.
Zy linder 14 wieder von neuem in das Verlänge rungsrohr 15 eintreten kann, wodurch eine Verminderung der Wasserförderung von unten erreicht und weniger Sand hochgezogen wird.
<I>Die</I> Noclcenform: Um die Ansicht zu zer streuen, dass jede beliebige Pumpe oder Nockenform geeignet wäre, durch Erhöhung der Tourenzahl die Leistung zu steigern, soll nachstehend konkret und auf Grund wissen schaftlicher Betrachtungen -diese Ansicht widerlegt werden.
Zu diesem Zwecke wurden in Fig. 3 die Erhebungskurven von drei ver- schiedenen. Nocken 5, 5a und 5b, wie sie auf die Rollen eines Schwinghebels wirken, in vereinfachter Form graphisch dargestellt, und hierzu wurden die Nocken 5, 5a und 5b (Fig. 2) in zwölf Winkelordinaten 1x-12x eingeteilt; also beträgt der Abstand von der einen zur andern 30 .
Wenn der Nocken 240 Touren pro Minute, also 4 Touren pro Se kunde macht, entspricht dies pro Umdrehung 0,25 sek oder zwischen jeder Ordinate 0,25 :12 = ca, 0,02 sek. In F'ig. 3 wurden die Ordinaten Ix--12x auf einer Linie 33 senkrecht aufgetragen.
Auf jeder Ordinate wurde der Weg 34 aufgetragen, den die Rolle eines Schwinghebels bei einer Drehung des Nockens ausführt (der Einfachheit halber der Abstand zwischen dem Nockenumfang und dem Krei s, 31, der bei einer Drehung des 1 ockens vom tiefsten Punkt desselben be schrieben wird), welcher Weg im Scheitel punkt 35 bei Ordinate 6ax gleich 27 mm be- lrägt. Multipliziert man die Höhen der ein zelnen sechs Ordinaten lx-6x mit dem He- belübersetzungsverhältnis von z.
B. 2,6 :1, so ergibt sich bei, einem grössten Ausschlag der Rolle von 27 mm ein Kolbenhub von 2,6 X '-)7:= 70 mm. Die Erhebungslinie der Wassersäule wird dieselbe Form aufweisen wie diejenige der Rolle, da die Übertragung durch den Hebel und das Bogensegment auf die Zugelemente des Kolbens keine Verände rung ergibt, obschon der Weg bei jeder Ordi- nato entsprechend der Hebelübersetzung mit 2,6 zu multiplizieren ist.
Die Erhebungslinie der Wassersäule zwischen den Ordinaten 7 bis 12, die sich aus dem Beharrungszustand der Wassersäule ergibt, wurde empirisch ge zeichnet und dürfte der Tatsache entsprechen; da die Steigungswinkel der Linie am Ende der Hebung und Wiederbeginn derselben durch den Kolben bekannt sind, brauchte man nur die beiden verschiedenartigen Neigungs linien mit einem gleichmässig verlaufenden Bogen zu verbinden.
Ausgehend von dem Nocken 5a für gerad- linin;e Hebung -des Kolbens bzw. der Wasser säule, wie sie vom Erfinder bei Doppelkolben pumpen (deren zwei Kolben übereinander sich im gleichen Zylinder bewegen) zur Anwen dung kamen, ersieht man, dass theoretisch be trachtet überhaupt keine Beschleunigung oder Verzögerung in der Wassersäule auftreten kann, da die zwei Nocken bei der Doppel kolbenpumpe in ihrer Wirkung sieh gegen seitig so überdecken, da,ss die "Q4Tassersäule stets von dem einen oder andern Kolben ge hoben wird,
da wechselseitig ein Kolben sei nen Rücklauf entsprechend der Linie 37 bzw. 37' erst beginnt, wenn. der andere Kolben die Weiterbeförderung der Säule schon übernom men hat. Die Erhebung ist in Fig. 3 in punktierter Linie 32 dargestellt und ent- c_pricht auch der punktierten Linie beim Nocken 5a. Dieser Nocken ergäbe aber bei der erfindungsgemässen Einkolbenpumpe beim Hubbeginn einen etwas schrofferen Be- schleunig-ungsdruck.
Die ausgezogene Erhebungslinie 38, 39, 40 (Fix. 3) entspricht dem Nocken 5, wie er für die erfindungsgemässe Pumpe sein muss. Man sieht, -wie er im Aufwärtshub während ca. I.80 oder während ca. 0,12 sek entsprechend n <I>=</I> 240 pro Minute eine gleichmässige Zu nahme der Erhebung 39 ergibt.
Während der folgenden ca:. l80 oder 0,12 sek gleitet die Rolle des Schwinghebels entsprechend der Kurve 37 auf dem Ablauf<B>37'</B> des Nockens, wodurch -der Kolben sich nach unten be- webgt. Die Flüssigkeitssäule verliert in dieser Zeit von 0,12 sek etwas von ihrer Geschwin digkeit (10-25 %) gemäss der dargestellten Linie 38 zwischen den Ordinaten 6-12, wor auf der Nocken 5 wieder mit einer neuen He bung 40 beginnt, und zwar entsprechend der selben Geschwindigkeit, welche die Flüssig keitssäule in diesem Moment hat.
Würde man einen Exzenter 5b nach strichpunktiert. verwenden, dessen Lauffläche einem Kreis mit versetztem Mittelpunkt 41 entspricht und die gleiche Wirkung wie ein Kurbeltrieb besitzt (nach strichpunktiert), so entständen Schwankungen in der Ge schwindigkeit und damit Beschleunigungen in der Wassersäule sowie Beschleunigungs- drücke, welchen ein noch so verstärktes Triebwerk nicht standhalten würde, wobei letzteres ausserdem noch Nachteile infolge Erhöhung der Gewichtsmasse hätte.
Zur Aufklärung diene wiederum die gra phische Darstellung, wobei man ausgehend von der gleichmässigen Erhebungslinie 32 (nach punktiert) ersieht, dass die Beschleuni gung nur ca. zwischen den Ordinaten 2 und 4,5, also nur in der Zeit von 0,05 sek vor sich geht, während in der übrigen Zeit, welche ca. 4mal so lang ist und 9,5 X 0,02=0,l,9 sek beträgt, die Flüseigkeitssäule nur von der Trägheitakra.ft bewegt wird und demzu folge einen fast doppelten Creschwindigkeits- abfall erleidet als beim angegebenen erfin dungsgemässen Nocken, der während nur 0,
12 sek, statt 0,19 sek, nicht auf die Säule wirkt. Dass auch während des Aufwärts hubes beim Egzenternooken 5b die Trägheits- kraft die Weiterförderung der Säule über nehmen wird, liegt darin, weil die Säule wäh rend einer kurzen Zeitspanne zwischen den Ordinaten 2 und 4,5 eine derartige Beschleu nigung erfährt, dass sehen zwischen den Ordinaten 4,5 und 5 die Geschwindigkeit des Kolbens hinter derjenigen der Säule zurück bleibt.
Ein ausserordentlicher Nachteil des Egzenternockens 5b bestände noch darin, dass der Kolben zwischen den Ordinaten 8 und 9 in rückläufiger Bewegung eine derartige Be schleunigung erfahren würde, dass für die selbe keine genügend starke Feder unterzu bringen wäre, da auch zudem noch die Wasserwiderstände, hervorgerufen durch den schnelleren Wasserdurchfluss im Kolbenven til, hinzukämen.
Die Zeichnung und die zugehörige Spezial beschreibung beziehen sich auf eine Tief- brunnenpumpe. Es ist nicht ausgeschlossen, <B> & </B>ss die der Erfindung zu Grunde liegende Theorie auch auf über Flur befindliche Pum- pen, d. h. mit über Flur befindlichem Zylin der und Kalben, angewendet werden kann, indem beispielsweise die Windkessel durch ein entsprechendes Rohr für eine durch Träg heit bewegte Wassersäule ersetzt werden können.