Hydraulic energy converters

1
Hydraulic energy converters

• Pumps and motors

General
There is a geometrical volume which is in
principle displaced Vg
The ideal (geometrical) flow rate is Qg nVg
In reality there are leakages Q ?volQg

• There are other effects which reduce the flow
  rate
• Qc compressibility
• Qe gas and vapour enclosures
• ? Qr Q Qc Qe
• but these are neglected in the practice.

2
Hydraulic energy converters

• Pumps and motors

Pump
Motor
Losses m mechanical, f friction, i inertial
Degree of irregularity
3
Hydraulic pumps and motors

• Pump types

Gear Pumps
Centered internal gear pump / gerotor pump
Off-centered internal gear pump
External gear pump
Radial Piston Pumps
Stationary cylinder block
Rotating cylinder block
Screw pump
(álló vezérlopályás, külso beömlésu)
(forgó vezérlopályás, külso beömlésu)
Axial Piston Pumps
Vane pump
Tilting cam plate
Tilting block
4
Hydraulic pumps and motors

• Motor types

Axial piston motors

• Properties
• generally high speed
• (n 500-10.000 min-1)
• low speed high torque - LSHT
• (n 0,5-1.000 min-1)

Tilting cam plate / swash plate
Axiáldugattyús motor ferdetárcsás kivitelben
Radial piston motor
Radiál-dugattyús motor belso dugattyú támasztással
Gear motor
Internal radial piston motor with multiple stroke
Standing shaft, multiple stroke
Többlöketu radiál-dugattyús motor külso dugattyú
támasztással
Állótengelyes többlöketu axiáldugattyús motor
Fogazott-gyurus vagy bolygókerekes motor
Gerotor motor
Bent axis piston motor
Standing housing, multiple stroke
Axiáldugattyús motor ferde tengelyes kivitelben
Vane motor
Állóházas többlöketu axiáldugattyús motor
5
Gear pumps

• Gear pumps - function

Delivery is done by the fact that less volume is
enclosed in the room between the teeth than
delivered at the outer edge. The geometrical
displacement volume is the difference of the two.
where R is the outer radius, r is the radius of
the last contact point b is the breadth z is
the number of teeth m is the module x is a
profile constant
r
R
6
Gear pumps

• Properties

• Simple and robust
• Cheap
• Reliable, little sensitivity to dirt
• Operation is independent of the position
• Good suction characteristics
• Good efficiency, up to 90
• Large rotational speed domain n 500 6000
  1/min

• Noisy, uneven, vibration, strong pulsation
• Max pressure 250 bar
• Max flow rate 160 l/s

Gear motors ? identical
7
Gear motors

• Function

• Feladatuk
• hidraulikus energiát mechanikai energiává
  alakítanak
• nyomás ? fajlagos nyelotérfogat ? nyomatékigény
• térfogatáram ? fajlagos nyelotérfogat ?
  fordulatszám

• Tasks
• convert hydraulic energy into mechanical energy
• pressure ? specific displacement ? wanted torque
• flow rate ? specific displacement ? speed

Fontos jellemzok Elnyelt térfogat kb. 1-200
cm3 Max. üzemi nyomás 300 bar-ig Fordulatszám
tartomány 500-10000 min-1

• Aspects of selection
• pressures
• speed
• variability of displacement
• installation conditions
• lifespan
• maintenance conditions
• allowed noise level
• price

Gear motors
Important properties Displacement ca. 1-200
cm3 Max. pressure 300 bar Speed 500-10 000 min-1

• Kiválasztási szempontok
• nyomás-tartomány
• fordulatszám-tartomány
• munkatérfogat változtat-
• hatósága
• beépítési feltételek
• élettartam
• karbantartási feltételek
• megengedett zajszint
• beszerzési ár

8
Screw pumps

• Properties, function

• No pulsations, no noise, continuous operation

• Larger losses because of a longer path, larger
  friction
• High costs because of low tolerances, sensitivity
  to viscosity

s pitch
Max flow rate 3000 l/s Max pressure 170 bar ?
0,65-0,7
There are no screw motors
9
Vane pumps

• Pump types

1. Single acting displacement volume adjustable
2. Double acting displacement volume constant

a)
b)
Vanes can be pressed against circumference by
springs or by pressure
for single acting pumps, s is the thickness of
the vanes
for multiple acting pumps
D maximum diameter of the inner curve d
minimum diameter of the inner curve
k number of the excentricity bulges (usually 2)
10
Vane pumps

• Properties

Since there is no natural limit to the pressure,
a relief valve is necessary if the limit is
reached.

• Relatively silent but noisier than a screw pump
• Max Q 600 l/min, max ?p 140 bar, ?gt0,7
• Significant wear because of sliding surfaces
• Small size increase large volume (Vg) increase
• Cheap
• Relatively large leakage losses

Use as motor is rare but then as constant n motor
11
Radial piston pumps

• Pump types

• with valve
• without valve

Here with valve

• The shaft and the excentric rotate, the rest is
  stationary. There are two valves. There is a
  semicircular slit where the fluid can enter into
  the cylinder.
• Many different forms
• Max Q 600 l/min, max ?p 630 bar, h 0,8-0,9

12
Radial piston pumps

• Properties

• Long life, low wear because of good lubrication
• Higher noise, uneven delivery
• Sensitive to contamination
• Excentricity can be governed, over 0 too
• For motor applications mostly at low speed, 1-10
  rpm
• Relative bulky

13
LSHT motors
LSHT egylöketu radiáldugattyús motorok felépítése

• Construction of one stroke radial piston motors

MR típusú radiáldugattyús motorok
Radial piston motors of MR-type
Important properties Displacement 10 - 8500
cm3 Max. pressure 300 bar Speed 0,5 - 2000
min-1 Max. torque to 32000 Nm
Fontos jellemzok Elnyelt térfogat 10-8500
cm3 Max. üzemi nyomás 300 bar-ig Fordulatszám
tartomány 0,5-2000 min-1 Max.
forgatónyomaték 32000 Nm-ig
14
Axial piston pumps

• Pump types

Tilting block
Tilting cam plane
Properties

• Compact, small weight
• Good efficiency
• Long life
• Used more as motors than as pumps
• Can be governed through 0 ? exchange of delivery
  direction
• Vg is often adjustable by the angle
• ? 0,8-0,9 ?pmax 315 bar Qmax 1200 l/min

15
Axial piston pumps

• Adjusting mechanisms

The Vg and thus Q can be governed or controlled
through various mechanisms

• Governing mechanisms
• Mechanical (by hand)
• Electromechanical (by electromotor)
• hydraulic

In all the three cases it has to be ensured that
the maximum angle or displacement is not
overstepped.
16
Axial piston pumps

• Adjusting mechanisms (cont.)

• Control mechanisms
• Zero displacement control (energy saving)
  provides exactly the necessary flow rate which
  covers the leakage flow
• Pressure control provides a constant pressure
  independently of Vg
• Flow control provides a constant flow rate - can
  use Vg or n control
• Power control provides a constant power (more
  complicated)

17
Big pictures

• End of normal presentation
• Beginning of big pictures

18
Pump types

• External gear pump

19
Pump types

• Off-centered internal gear pump

20
Pump types

• Centered internal gear pump / gerotor pump

21
Pump types

• Screw pump

22
Pump types

• Vane pump

23
Pump types

• Radial piston pump with stationary cylinder block

24
Pump types

• Radial piston pump with rotating cylinder block

25
Pump types

• Axial piston pump with tilting block

26
Pump types

• Axial piston pump with tilting cam plate

27
Hydraulic motor types

• Gear motor

28
Hydraulic motor types

• Gerotor motor

29
Hydraulic motor types

• Vane motor

30
Hydraulic motor types

• Radial piston motor

31
Hydraulic motor types

• Internal radial piston motor with multiple stroke

32
Hydraulic motor types

• Bent axis piston motor

33
Hydraulic motor types

• Axial piston motor with tilting cam plate

34
Hydraulic motor types

• Axial piston motor with fixed shaft, multiple
  stroke

35
Hydraulic motor types

• Axial piston pump with fixed housing, multiple
  stroke

36
External gear pump

• Function

Külsofogazású fogaskerékszivattyú muködése

• Mainly used in the mobile hydraulics.
• relative large pressure
• small weight
• wide speed range
• wide temperature range
• wide viscosity range
• high noise level
• unfavourable efficiency

• Foként a mobilhidraulikában alkalmazzák.
• viszonylag nagy nyomás
• kis tömeg
• széles fordulatszám tartomány
• széles homérséklet tartomány
• széles viszkozitás tartomány
• magas zajszint
• kedvezotlen hatásfok

Gear pumps of G2-, G3- and G4-type
G2, G3 és G4 típusú fogaskerék-szivattyúk
Fontos jellemzok Kiszorított térfogat
0.2-200 cm3 Maximális nyomás 300 bar (NG
szerint) Fordulatszám tartomány 500-6000
min-1
Important properties Displacement 0,2 - 200
cm3 Max. pressure 300 bar (by NG) Speed 500 -
6000 min-1
Back
37
External gear pump

• Construction

38
External gear pump

• Construction

39
Internal gear pump

• Function

Belsofogazású fogaskerékszivattyú muködése

• Mainly used in industrial hydraulics.
• low noise level
• smooth flow
• high suction heads

• Stabilhidraulikában alkalmazzák.
• alacsony zajszint
• egyenletes szállítás
• jó szívóhatás

GU típusú belso fogazású fogaskerékszivattyú
Fontos jellemzok Kiszorított térfogat 3-250
cm3 Üzemi nyomás 300 bar (NG
szerint) Fordulatszám tartomány 500-3000
min-1
Important properties Displacement 3 - 250
cm3 Max. pressure 300 bar (by NG) Speed 500 -
3000 min-1
Back
40
Internal gear pump

• Construction

1 Housing
2 Flange
3 Shaft with external tooth gear
4 Internal tooth gear
41
Internal gear pump

• Construction

42
Gear pump

• Function

r
R
43
Gear motor

• Construction

44
Gear motor

• Construction

45
Screw pump
46
Vane pumps
Lapátos szivattyúk muködése

• Double acting

2. kétszeresen excentrikus gyuru
6. kettos löket
Elliptical cam ring
Double stroke
Maximal displacement
Start of suction
Discharge
3. szívás kezdete
4. maximális térfogat
5. kiszorítás
Pressure behind the vane
Dual vane for lubrication
Chamfer to the vane top
Back
7. lapát mögött nyomás
8. kenés miatt kettos lapát
9. horony a lapátcsúcshoz
47
Vane pumps
Lapátos szivattyúk felépítése
Közvetlen vezérlésu (bal) és elovezérelt (jobb)

• Single acting

Rotor and vanes
Directly controlled (left) and pilot-operated
vane pump (right)
Vane pumps of V3- and V4-type
V3 és V5 típusú szárnylapátos szivattyúk
Important properties Displacement 5 - 100
cm3 Max. pressure 100 bar Speed 1000 - 2000
min-1
Directly controlled vane pump
Back
Közvetlen vezérlésu szárnylapátos szivattyú
48
Vane pump

• Elliptical cam ring

49
Vane pump

• Start of suction

50
Vane pump

• Maximal displacement

51
Vane pump

• Discharge

52
Vane pump

• Double stroke

53
Vane pump

• Pressure behind the vane

54
Vane pump

• Dual vane for lubrication

55
Vane pump

• Chamfer to the vane top

56
Vane pump

• Rotor and vanes

57
Vane pump

• Direct controlled (left) and pressure compensated
  (right) vane pump

58
Vane pump

• Direct controlled vane pump

59
Vane pump

• Construction

60
Radial piston pump
61
Radial piston pumps
Radiál-dugattyús szivattyú belso
dugattyútámasztással

• With internal eccentric shaft

62
Radial piston pumps

• Working phases

63
Radial piston pumps

• Radial piston pumps of R4-type

64
Radial piston pumps

• Pulsation of the flow rate with 1, 2, 3, 4 pump
  elements

65
Radial piston motors

• LSHT motor of MR-type

66
Radial piston motors

• LSHT motor of MR-type

67
Radial piston motors

• LSHT motor of MR-type

68
Radial piston motors

• LSHT motor of MR-type

69
Axial piston pumps

• Axial piston pumps with tilting cam plate

- Principle of operation -
Variable displacement axial piston pump with
speed dependent electro-hydraulic adjustment and
booster motor
Principle of tilting cam plate with fixed and
variable angle
Állítható térfogatáramú szivattyú
elektromos-hidraulikus állítással,
fordulatszám-függo szabályozással és ráépített
segédszivattyúval
A ferde tárcsa elve állandó vagy változtatható
billenési szöggel
70
Axial piston pumps

• Axial piston pumps with tilting cam plate

- Constructions -
Állítható szivattyú zárt körfolyamathoz, A4VG
típus
Adjustable pump for close circuit, A4VG-type
Állítható szivattyú nyitott körfolyamathoz, A10VO
típus
Adjustable pump for open circuit, A10VO-type
Back
71
Axial piston pumps

• With tilting cam plate

72
Axial piston pumps

• With tilting cam plate

73
Axial piston pumps

• With tilting cam plate

74
Axial piston pumps

• With tilting cam plate

75
Axial piston pumps
Drive shaft Pistons Piston surface Stroke
length Cam plate Angle Cylinder barrel
Port plate Outlet port Inlet port
76
Axial piston pumps

• Pump types Axial piston pumps with tilting cam
  plane

77
Axial piston pumps

• With tilting cam plate

78
Axial piston pumps

• Axial piston pumps with tilting block

- Principle of operation -
Fixed displacement pump
Principle of bent axis with fixed or variable
angle
Állandó folyadékszállítású egység kúpos dugattyús
hajtómuvel
A ferde tengely elve állandó vagy változtatható
billenési szöggel
79
Axial piston pumps

• Axial piston pumps with tilting block

- Constructions -
Fixed flow rate pump of A2F-type for open or
closed circuit (also as motor)
A2F típusú állandó térfogatáramú egység (a
billenési szög rögzített), mint szivattyú vagy
motor nyitott és zárt körfolyamokhoz
Adjustable pump of A7VO-type for open circuit
Bent axis piston pump made with 40 angle
technology, fixed angle
A7VO típusú változtatható térfogatáramú egység (a
billenési szög állítható), mint szivattyú nyitott
körfolyamokban
Ferde tengelyu, kúpos dugattyús hajtómu 40-os
technológiával készítve, rögzített billenési
szöggel
Back
80
Axial piston pumps

• With tilting block

81
Axial piston pumps

• With tilting block

82
Axial piston pumps

• With tilting block

83
Axial piston pumps

• With tilting block

84
Axial piston pumps

• With tilting block

85
Axial piston pumps

• With tilting block

86
Axial piston pumps

• With tilting block

87
Axial piston pumps

• With tilting block