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Als Pumpe oder Motor verwendbare Drehkolbenmaschine Die Erfindung
bezieht sich auf eine als Pumpe oder Motor verwendbare Drehkolbenmaschine mit einem
konzentrisch in einem Statorhohlraum angeordneten zylindrischen Rotor und mit mehreren
in radialen Schlitzen des Rotors gleitenden Arbeitsschiebern, bei der die Querschnittskontur
des Statorhohlraume.s um den Rotor wellig gestaltet ist, wobei zwischen Stellen,
die d en Rotorumfang fast berühren, Wellenbögen gebildet sind, die im Abstand zum
Rotorumfang stehen, womit zwischen Stator und Rotor mehrere Arbeitskammern gebildet
sind. Diese Arbeitskammern werden von den Arbeitsschiebern fortlaufend in sich erweiternde
und verengende Zellen unterteilt, denen das Förder- bzw. Arbeitsmedium durch radiale,
neben den Arbeitsschiebern befindliche Bohrungen im Rotor zu- und abgeleitet wird,
wobei die Anzahl der Arbeitskammern größer ist als die Anzahl der Arbeitsschieber,
so daß bei Drehung des Rotors fortlaufend eine oder mehrere Arbeitskammern augenblicklich
nicht von einem Schieber unterteilt werden und nicht mit einer radialen Einlaß-
oder Auslaßbohrung des Rotors in Verbindung stehen.
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Es ist ein Flüssigkeitsmotor der obenerwähnten Arn in dynamischer
Umkehrung bekannt, bei dem der innere zylindrische Hauptteil als Statorkern feststeht,
um den der äußere, den Hohlraum mit der gewellten Querschnittskontur enthaltende
Hauptteil als Rotor umläuft, und bei dem von der abgeschlossenen Arbeitskammer,
die gerade nicht von einem Arbeitsschieber unterteilt wird und nicht mit einer Einlaß-oder
Auslaßbohrung des Statorkerns in Verbindung steht, lediglich durch die konstruktiv
bedingten Leckspalte zwischen rotierendem und feststehendem Teil Druckflüssigkeit
in geringem Maße zu der danebenliegenden, gerade mit den Niederdruckkanälen des
Motors verbundenen Arbeitskammer oder -zelle übertreten kann. Wenn nun diese eben
abgeschlossene Kammer der Arbeitsweise des Motors entsprechend anschließend mit
der Niederdruckseite der Maschine in Verbindung .tritt, entlädt sich die in der
Kammer befindliche Druckflüssigkeit ruckartig in die Niederdruckkanäle. Dieser Druckimpuls
ergibt an der Abtriebswelle des Motors einen Ruck. Wenn eine solche Maschine als
Pumpe verwendet würde, würde in der abgeschlossenen Arbeitskammer Fördermedium unter
Saugdruck eingeschlossen sein. Anschließend würde die Kammer mit der Druckseite
der Pumpe in Verbindung treten. Dies würde einen gewissen Rückschlag aus den Druckkanälen
der Pumpe ergeben, der dann als störender Druckimpuls in der Förderleitung von der
Pumpe in Erscheinung treten würde. Bei einer bekannten Drehkolbenpumpe, bei der
viele Arbeitsschieber in Schlitzen des Rotors radial beweglich sind und zwischen
dem Rotor und dem ihn umgebenden Statorteil nur zwei sichelförmige Arbeitsräume
gebildet sind, entstehen zwischen dem Rotor, dem Stator und dien Arbeitsschiebern
mehrfach Kammern, welche nicht mit den Einlaß- und Auslaßeinschnitten in. Verbindung
stehen. Die Flüssigkeit in diesen Kammern wird auf einen mittleren Druck gebracht,
der zwischen dem Einlaß- und dem Auslaßdruck liegt, und zwar durch eine Zwischenverbindung
der gesamten Kammern mittels bestimmter Durchgänge. Mit dieser Anordnung wird der
Abfall in der Übergangsleitung zu den Pumpenkammern in der Nähe des Auslaßausschnittes
nur zum Teil verringert. Bei einer weiteren bekannten Pumpe mit zwei sichelförmigen
Arbeitsräumen zwischen dem Stator und dem Rotor, welcher mit verhältnismäßig vielen
Arbeitsschiebern versehen ist, bei der die Flüssigkeit durch je zwei bogenförmige
Nuten in den die Förderräume stirnseitig abschließenden Statorwänden den Förderstellen
zu- und abgeleitet wird, werden die jeweils schon von einer Einlaßßnut getrennten
Förderzellen vor Erreichung der nächsten Auslaßnut durch
relativ
enge Stichnuten, die in die Auslaßnuten führen, mit letzteren in Verbindung gebracht.
Dadurch wird voraussichtlich auch schon eine gewisse Verringerung von Druckstößen
erreicht, wenngleich die erwähnte Anordnung von Stichnuten im Zusammenwirken mit
Nuten und Kanälen, die der Druckbe,aufschlagung der Unterseite der Arbeitsschieber
dienen, hauptsächlich zur Ausbalancierung der auf die radial inneren und äußeren
Seiten der Arbeisschieber wirkenden Kräfte gedacht ist.
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Bei einer anderen Pumpenkonstruktion ähnlicher Art mit vier Arbeitsschiebern
im Rotor sind in der Nähe der Saug- und Drucköffnungen, welche die Innenumfangswand
des Stators durchbrechen, tangential zum Roter gerichtete enge Bohrungen im Stator
vorgesehen, die weitere Verbindungen der Saug- und Drucköffnungen in der Statorwand
mit den sichelförrnigen Arbeitskammern darstellen und als Druckausgleich- oder Nachflußkanäle
wirken sollen. Das dürfte aber zu erheblichen Leistungsverlusten der Pumpe führen,
da bei bestimmten Stellungen der Arbeitsschieber Rückflußmöglichkeiten von der Saugseite
zur Druckseite der Pumpe frei werden.
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Durch die Erfindung soll es ermöglicht werden, daß bei einer Drehkolbenmaschine
der eingangs erwähnten Art zum Ausgleich von störenden Druckwellen in den Arbeitskammern,
die augenblicklich nicht von einem Arbeitsschieber unterteilt werden und nicht mit
einer Einlaß- oder Auslaßbohrung des Rotors in Verbindung stehen, der Druck nahezu
auf den Auslaßdruck gebracht wird, wenn die Arbeitskammern mit dem Auslaß in Verbindung
kommen.
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Gemäß der Erfindung geschieht dieses dadurch, daß ein als Druckspeicher
oder Druckausgleichsraum wirkender Hohlraum vorgesehen ist, der über eine Drosselbohrung
mit einem Kanal für ein Medium unter Förderdruck bzw. Auslaßdruck in Verbindung
steht, um keinen wesentlichen Druckabfall in diesem Kanal herbeizuführen. Dabei
werden durch Kanäle im Stator und im Roter kurzzeitig Verbindungen zwischen dem
Druckspeicher bzw. Druckausgleichsraum und denjenigen Arbeitskammern hergestellt,
die augenblicklich nicht an eine der Ein- oder Auslaßbohrungen des Rotors angeschlossen
sind, um ein Ansteigen des Druckes in diesen Arbeitskammern annähernd auf den im
Druckspeicher bzw. Druckausgleichsraum herrschenden Druck zu erreichen, bevor sie
über eine der Bohrungen mit der Druckseite der Maschine verbunden sind.
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Dabei ist es zweckmäßig, daß die zur Herstellung und Steuerung der
kurzzeitigen Verbindung zwischen dem Druckspeicher bzw. dem Druckausgleichsraum
und denjenigen Arbeitskammern, die gerade nicht mit Bohrungen des Rotors verbunden
sind, dienenden Kanäle im Rotor und Stator aus kurzen, in einer Stirnseite des Rotors
angeordneten und zum Rotorumfang ausmündenden Nuten, und aus zum Rotor achsparallelen,
in einem jene Stirnseite des Rotors berührenden vorderen Gehäuseteil befindlichen
Bohrungen bestehen, welch letztere einerseits in den Druckspeicher bzw. Druckausgleichsraum
führen und andererseits in die der Rotorstiraseite zugekehrte Seitenfläche des Gehäuseteiles
auf Höhe der Nuten ausmünden.
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Bezüglich des Druckkanalsystems in der Maschine wird vorgeschlagen,
daß die radialen Bohrungen für Medium unter Förderdruck in axiale, den Grund der
Schlitze für die Arbeitsschieber bildende Längsbohrungen im Roter ausmünden und
daß die Enden dieser Längsbohrungen an den Stirnflächen des Rotors in Ringkanäle
ausmünden, die in den dem Rotor zugekehrten Sei(enflächen des vorderen Gehäuseseitenteiles
und eines hinteren Gehäuseteiles angeordnet sind, wobei das hintere Gehäuseteil
den zum Ringkanal führenden Druckauslaßkanal enthält. Der Druckspeicher befindet
sich dabei als Gehäusehohlraum im vorderen Gehäuseteil und ist mittels der Drosselbohrung
mit dem Ringkanal in der dem Rotor zugewandten Seitenfläche dieses Gehäuseteiles
verbunden.
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Ferner wird vorgeschlagen, daß der ebenfalls im hinteren Gehäuseteil
angeordnete Einlaßkanal in einen zentrischen Hohlraum des Rotors führt, in den die
radialen Bohrungen des Rotors münden.
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Die Erfindung wird an einem Ausführungsbeispiel in Verbindung mit
der Zeichnung erläutert. Es zeigt F i g. 1 einen Längsschnitt durch eine Pumpe mit
den Erfindungsmerkmalen gemäß der Linie 1-1 in F i g. 2, F i g. 2 eine Querschnittsansicht
der Pumpe nach Abnahme eines Gehäuseteiles entlang der Linie 2-2 in F i g. 1 und
die F i g. 3 A, 3 B und 3 C Kurven bezüglich der Schwankungen des Auslaßdruckes
ohne Akkumulatorwirkung, der Schwankungen des Kammerdruckes mit Akkumulatorwirkung
und der Auslaßdruckschwankungen mit Akkumulatorwirkung.
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Bei der dargestellten Drehkolbeapumpe ist ein Rotor 10 mit
einem kreisförmigen Außenumfang versehen, wähnend sich der Innendurchmesser eines
ringförmigen Stators 11 regelmäßig in radialer Richtung ändert. Bei dem Wendungsverlauf
des Stators handelt es sich vorzugsweise um eine periodisch verlaufende Kurve, die
einer Gleichung mit sich regelmäßig wiederholenden ersten und zweiten Ableitungen
entspricht. Der Grund dafür, eine solche Kurve zu wählen, ergibt sich aus der nachfolgenden
Beschreibung. Die für das Ausführungsbeispiel gewählte Kurve wiederholt sich sechsmal
über den inneren Umfang des Stators 11. Auf diese Weise ergeben sich sechs
Stellen 12 von minimalem Radius, an welchen der Stator 11 den Rotor 10 fast berührt.
Zwischen diesen Stellen 12 verlaufen die Wände des Statorhohlraumes wellenförmig
unter Bildung von Wellenbögen im Abstand vom Roter 10, so daß sechs Arbeitskammern
13 entstehen.
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Der Roter 10 wird über ein lösbares Kupplungsstück 15 mittels
einer Welle 14 angetrieben. Die Welle 14 erstreckt sich durch ein vorderes
Gehäuseteil 19, in dem sie auch gelagert ist. Mit Hilfe von mehreren Schraubbolzen
22, welche durch das vordere Gehäuseteil 19 und ein Gehäusemittelteil 11,
kurz »Stator« genannt, hindurchgreifen, wird eine Verbindung mit dem hinteren Gehäuseteil
23 hergestellt.
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über den Umfang des Rotors 10 verteilt sind mit gleichen Abständen
voneinander vier radiale Schlitze 26 in den Rotor eingearbeitet.
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In jedem dieser Schlitze 26 ist ein Arbeitsschieber oder Flügel 27
radial verschieblich angeordnet, welcher mit einer schneidenförmigen Kante nach
außen zeigt. Die bei der Rotation des Rotors 10 auftretenden Zentrifugalkräfte sorgen
dafür, daß die Flügel 27 nach außen gedrückt werden und mit ihren Außenkanten an
der sich in radialer Richtung ändernden Hohlraumwand des Stators 11 zur Anlage
kommen.
Wenn die Maschine als Motor verwendet werden soll, ist es erforderlich, unterhalb
jedüs der Flügel27 eine Federanordnung anzubringen, damit die Flügel bei Beginn
der Drehbewegung nach außen gedrückt werden.
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Wird des Rotor 10 in Drehung versetzt, bewegen sich die Flügel 27
in den Schlitzen 26 entsprechend der Änderung der radialen Abstände der Innenwand
des Stators 11 vom Rotor 10 auf und ab.
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Wenn die Arbeitsschieber oder Flügel 27 an ihren Außenkannen
so ausgebildet sind, daß sich stets eine Linienberührung mit der Statorinnenwand
ergibt, verläuft die Flügelbewegung äquivalent zu den Anderungen des Statorradius.
Die Statorumfangskurve von einer Gleichung abzuleiten, welche fortlaufend erste
und zweite Ableitungen enthält, ist erforderlich, um die Flügel 27 bei hohen Rotorgeschwindigkeiten
stets mit der Statorwand in Berührung zu halten.
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Das Strömungsmittel wird der Pumpe über einen Einlaßkanal 28 am hinteren
Gehäuseteil 23 zugeführt. Der Einlaßkanal28 steht mit einer zentralen Innenkammer
29 des Rotors 10 in Verbindung. Von der Kammer 29 führen vier Kanäle in Form von
Bohrungen 30 neben einem jeden der Flügel 27 zum Rotorumfang.
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An der den Strömungsmitteleinlaßbohrungen 30 abgelegenen Seite jedes
Arbeitsschiebers 27 erstreckt sich parallel zu letzterem je eine Strömungsmittelauslaßbohrung
31, welche mit ringförmigen Rinnen oder Ringkanälen 32 und 33 in Verbindung steht,
die, wie die F i g. 1 zeigt, in das vordere Gehäuseteil 19 und das hintere Gehäuseteil
23 eingeschnitten sind. Die Ringkanäle 32 und 33 stehen über vier Längsbohrungen
26a, die den Grund der Schlitze 26 bilden, ständig miteinander in Verbindung
und bilden somit eine Auslaßkammer. Diese Auslaßkammer ist über einen Druckauslaßkanal
34, 35, welcher in dem hinteren Gehäuseteil 23 angeordnet ist, mit einer
nicht gezeigten Druckanschlußleitung verbunden.
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Im vorderen Gehäuseteil 19 ist ein Druckspeicher 36 in Form eines
Gehäusehohlraumes vorgesehen und über eine Drosselbohrung 37 mit denn Ringkanal
32 und ferner über mehrere enge Bohrungen 38 des vorderen Gehäuseteiles 19 und am
.Rotor 10 angebrachte radiale Nuten 39 intermittierend mit den Arbeitskammem 13
verbunden. Ein die Antriebswelle 14 umgebendes Rohr 40 bildet die innere Begrenzungswand
der Kammer 36.
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Die Arbeitsweise der Pumpe wird kurz wie folgt beschrieben: Der Rotor
10 wird mit Hilfe der Welle 14 in Richtung des in F i g. 2 eingezeichneten Pfeiles
gedreht. Sobald die Drehzahl des Rotors 10 so groß geworden ist, daß die
Außenkanten der Flügel 27 dichtend gegen die Innenwand des Stators 11 gedrückt werden,
entsteht in den Teilen der Arbeitskammem 13, die auf den den Einlaßbohrungen 30
zugewandten Seiten eines jeden Flügels liegen, ein Unterdruck bzw. eine Saugwirkung,
so daß in diesen Teilen der Kammern 13 Strömungsmittel über den Kanal 28, die Kammer
29 und die Einlaßbohrungen 30 eingesaugt wird. Wenn eine Bohrung 30 so weit vorwärts
bewegt ist, daß sie den Bereich einer bestimmten Kammer 13 verläßt, ist diese Kammer
13 angefüllt. Nach dem Anfüllen der Kammer wird diese für einen Teil der Umdrehung
von den Einlaßbohrungen 30 und auch von den Auslaßbohrungen 31 getrennt. Anschließend
kommt eine nachfolgende Auslaßbohrung 31 mit der Kammer 13 in Verbindung, wobei
der benachbarte Flügel 27 dann dafür sorgt, daß das Strömungsmittel durch die Auslaßöffnung
aus der Kammer herausgetrieben wird.
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Der Strömungsmittelfluß durch jede der Auslaßbohrungen 31 ist in einem
vorgegebenen Augenblick der frei liegenden Länge des benachbarten Flügels proportional.
Die Kurve, die die Querschnittskontur des Hohlraumes des Stators 11 bestimmt, ist
so gewählt, daß die Summe des Flusses aus den verschiedenen Kammern 13 konstant
ist.
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Nachdem die Pumpe ihre Arbeitsdrehzahl erreicht hat, steigt der Druck
in der von den Ringkanälen 32 und 33 gebildeten Auslaßkammer bis auf den Nennbetriebswert
an. Wenn keine besonderen Maßnahmen zur Druckangleichung vorgesehen wären und man
ferner von Leckverlusten absieht, stünde das Strömungsmittel in einer abgeschlossenen
Kammer 13 bis kurz bevor diese mit einer Auslaßbohrung 31 in Verbindung gebracht
wird, unter dem Einlaßdruck. Bei Berücksichtigung von Leckverlusten wäre der Druck
in der Kammer 13, bevor sie mit einer Auslaßbohrung in Verbindung gebracht wird,
etwas größer als der Einlaß- und wesentlich geringer als der Auslaßdruck. Die plötzliche
Verbindung einer Zone hohen Auslaßdruckes mit einer unter relativ niedrigem Druck
stehenden Kammer.13 hätte eine Strömungsmittelstoßwelle in die Kammer hinein zur
Folge, durch die der momentane Druck an der Auslaßöffnung absinken würde. Diese
Stoßwelle würde in verminderter Größe vom Auslaßkreis wiedergespiegelt werden, so
daß sich dort eine gedämpfte Schwingung ergäbe. Die F i g. 3 A erläutert die Auslaßdruckschwankungen,
welche sich aus einer solchen Stoßwelle ergeben würden. Mit dem Punkt X ist die
Verbindung einer Kammer 13 mit der speziell betrachteten Auslaßbohrung 31 gekennzeichnet.
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Die Austrittskennlinie wird aber verbessert, wenn man die vorerwähnte
Stoßwelle beseitigt. Diese Beseitigung erfolgt dadurch, daß man das Strömungsmittel
in der augenblicklich abgeschlossenen Arbeitskammer 13 vor deren Verbindung mit
der nächsten Auslaßbohrung 31 einer Vorkompression unterwirft.
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Mittels der Drosselbohrung 37, welche mit dem Ringkanal 32 verbunden
ist, wird der Druck im Druckspeicher oder Akkumulator 36 im wesentlichen auf dem
Auslaßniveau gehalten. Für den Druckspeieher 36 sind in Form der sechs axialen Bohrungen
38 Abflußöffnungen vorgesehen, die normalerweise durch die Seitenwandungen des Rotors
10 versperrt sind, aber freigegeben werden, wenn irgendeine der radialen
Nuten 39 mit den Bohrungen 38 zur Überdeckung kommt.
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Die axialen Bohrungen 38 und die radialen Nuten 39 sind in solcher
Weise zueinander angeordnet, daß eine bestimmte Nut 39, kurz bevor die ihr zugeordnete
Kammer 13 mit der Auslaßöffnung verbunden wird, mit einer der Bohrungen 38 zur Überdeckung
kommt.
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Um bei der Anordnung gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel die
Druckbeaufschlagung der jeweils abgeschlossenen Kammer 13 im richtigen Augenblick
zu erreichen, sind die festen axialen Bohrungen 38 auf Radien angeordnet, die durch
Punkte der Statorkurve 11 von uraxialem Radius hindurchgehen, während die radialen
Nuten 39 am Rotor 10 geringfügig entgegengesetzt zur Drehrichtung aus der Mitte
zwischen zwei Flügeln verschoben sind.
Die Kanäle bzw. Bohrungen
38 und die Nuten 39 sind so groß, daß die Kammern 13 durch den Auslaßdruck im Druckspeicher
36 bereits kurze Zeit, nachdem die zugeordnete Nut eine Verbindung mit einer Bohrung
38 hergestellt hat, vorkomprimiert sind. Andererseits hat die Drosselbohrung 37,
welche den Akkumulator 36 mit dem Auslaß verbindet, einen so kleinen Querschnitt,
daß die geringe Verminderung des Akkumulatordruckes bei der Beaufschlagung einer
Kammer 13 nicht wirkam zum Auslaß übertragen wird. Der Durchmesser der Drosselbohrung
37 ist jedoch groß genug, um den Akkumulator 36 zwischen zwei Druckabgabeperioden
aus dem Auslaß wieder aufzuladen. Die Betätigung der Kanäle 38, 39 muß so erfolgen,
daß die Vorkompression einer Kammer 13 im letztmöglichen Moment vor dem Anschluß
an eine Abflußöffnung 31 erfolgt. Dies hat seinen Grund darin, daß Leckverluste
zur Einlaßöffnung 30 zurück nicht den Vorkompressionsdruck der Kammer vermindern
sollen.
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Die F i g. 3 B zeigt die Druckschwankungen in der Kammer 13 bei Akkumulatorbetrieb.
Zum Zeitpunkt M beginnt die Vorkompressionswirkung des Akkumulators, so daß der
Druck gemäß einer Exponentialfunktion schnell bis nahezu auf den Auslaßdruck Po
steigen kann. Zum Zeitpunkt N wird die Auslaßöffnung 31 erreicht, so daß der Druck
auf Po ansteigt. Zum Zeitpunkt R ist das Strömungsmittel erschöpft, und es sinkt
der Druck auf den Einlaßdruck P1 ab.
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Die F i g. 3 C zeit die Schwankungen des Auslaßdruckes bei Akkumulatorbetrieb.
Wenn eine Kammer an der Stelle N mit dem Auslaß in Verbindung gebracht wird, ergibt
sich eine ganz erheblich kleinere Stoßwelle als beim Betrieb ohne Vorkompression.
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Die beschriebene Vorkompressionsverbindung kann nicht nur bei Pumpen,
sondern auch bei Motoren ähnlicher Bauart angewendet werden.
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Wenn die Drehkolbenmaschine als Motor verwendet wird, werden die Stöße,
welche auftreten, wenn die Arbeitskammer, die das Treibmittel unter hohem Druck
enthalten, zuerst mit dem Auslaß verbunden sind, durch eine Verbindung dieser Kammern
während der Periode, in der sie von den Ein- und Auslaßöffnungen getrennt sind,
mit dem Druckausgleichsraum vermindert, der Flüssigkeit unter einem Druck enthält,
der etwa dem Auslaßdruck entspricht. Hierdurch wird ein gleichmäßiger Lauf des Motors
und der angetriebenen Einheit erhalten, wobei die unerwünschten Geräusche, die von
der Pulsation herrühren, unterdrückt werden.