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Kolben für Hochdruck-Gaskompressoren
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Kolbenmaschinen und betrifft im besonderen den Auf- bau und die Abdichtung eines Kolbens für Hochdruck-Gaskompressoren.
Die Abdichtung der Kolben in Gaskompressoren erfolgt im allgemeinen mittels geschlitzter Kol- benringe, die in eine Ringnut eingepasst sind ; die Anzahl der auf den Kolbenmantel aufzusetzenden Kolbenringe bestimmt sich nach dem höchsten vorkommenden Differenzdruck zwischen der Saug- und Druckseite. Bei höheren und höchsten Differenzdrücken verwendet man zur Verringerung der Leckgasverluste Kolbenringe mit besonderer Gestaltung an der Stossstelle der Überlappung oder Kolbenringpaare mit versetzt liegendem Stoss. Häufig werden solche Ringe zusammen mit einer innen an den Kolbenringen anliegenden, die Spannkraft nach aussen erhöhenden Blattfeder in die Ringnut eingebaut.
Bei Differenzdrücken über 1000 at erreichen Kolbenringabdichtungen der üblichen Bauart nur kurze Laufzeiten, da die in den Kolbenmantel eingebrachten Ringnuten sich verformen, so dass die Kolbenringe nach einer gewissen Laufzeit darin keine präzise parallele Anlage mehr erhalten. Sie verformen sich dann bei jedem Hub zunehmend, erhalten zusätzliche Spannungen sowie einen vergrösserten Abrieb und gehen schliesslich zu Bruch. Zur Behebung solcher Mängel bzw. Nachteile ist es bereits bekannt, bei vorliegenden hohen Differenzdrücken zwischen dem Saug- und dem Enddruck einer Verdichterstufe die Kolben des Verdichters aus einzelnen Elementen aufzubauen. Dabei befinden sich unter den Kolbenringen sogenannte Grundringe und neben den Kolbenringen Zwischenringe, die jeweils auf einen gemeinsamen Kolbenschaft aufgeschoben sind.
Bekannt ist es auch, nebeneinanderliegende Grund- und Zwischenringe zu einem gemeinsamen Ring mit L-förmigem Querschnitt zu vereinigen, ohne das grundsätzliche Prinzip der vielgliedrigen Bauweise zu verändern. Die Vorteile eines solcherart zusammengesetzten Kolbens sind darin zu sehen, dass die beiderseitigen Anlageflächen für die Kolbenringe auf Werkzeugmaschinen plangeschliffen werden können und dass die Kolbenringe selbst für den Einbau nicht unter Anwendung grosser Spannungen auseinandergebogen werden müssen. Die letztgenannte Massnahme führt beim Überschreiten eines gewissen Durchmessers zu bleibenden Verformungen der Kolbenringe. Es ist weiterhin bekannt, bei Differenzdrücken über 1000 at die Bauelemente eines solchen zusammengesetzten Kolbens nicht aus Stahl oder Gusseisen, sondern aus Hartmetall auszuführen.
Hartmetall ver- ändert seine Form während des Laufes der Maschine nur unwesentlich und bietet dem Kolbenring daher über eine wesentlich verlängerte Laufzeit eine gute Auflagefläche.
Zusammengesetzte Kolben bisher bekannter Bauarten bestehen insgesamt aus einer Kolbenstange, die an ihrem Ende ein Gewinde trägt, den übergeschobenen Bauelementen mit den aufgesetzten Kolbenringen und einer auf das Kolbenstangengewinde aufgeschraubten Mutter, die alle Teile unter einer gewissen Vorspannung zusammenhält. Während des Kompressionshubes entsteht eine Schwellbelastung durch die Differenz zwischen Saug- und Enddruck, die im Zylinder herrscht und auf die Stirnfläche des Kolbens einwirkt. Ausserdem werden die Kammern zwischen den einzelnen Kolbenringen infolge
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geringer Undichtigkeiten mit dem verdichteten Medium gefüllt. Der Druck in diesen Kammern liegt dann höher als der Saugdruck des Zylinders, so dass während des Saughubes auf das Gewinde der Kolbenstange eine Zugkraft wirkt.
Dieses Gewinde ist folglich während des Maschinenlaufes einer zusätzlichen Schwellbeanspruchung ausgesetzt.
Für Differenzdrücke über 500 at hat es sich daher als zweckmässig erwiesen, den zusammengesetzten Kolben mittels einer durch eine hohle Kolbenstange hindurchgeführten Dehnschraube zusammenzuspannen. Bei dieser Ausführung muss jedoch zum Wechseln der Kolbenringe die ganze Kolbenstange ausgebaut werden, um die Dehnschraube lösen zu können.
Beim Übergang zu noch höheren Differenzdrücken von etwa 1000 at zwischen Saug- und Enddruck einer Stufe bereitet schliesslich bereits die Dimensionierung der Dehnschraube Schwierigkeiten. Die Schwellbeanspruchung ihres Gewindes wird dann so gross, dass in dem verfügbaren Raum die erforderliche Gewindegrösse nicht mehr untergebracht werden kann.
Der Erfindung liegt demzufolge die Aufgabe zugrunde, einen aus vorgespannten Ringen zusammengesetzten Kolben für höchste Differenzdrücke sowohl mit leicht auswechselbaren Kolbenringen als auch mit hinreichenden Querschnitten für das Spannelement zu schaffen. Dieser Kolben soll ferner an den Kolbenringen durchtretende Leckgasmengen in besonderen Räumen zu sammeln und an geeigneten Stellen abzuführen gestatten. Ein Kassettenkolben nach der Erfindung soll ferner ungeachtet der Ringabmessungen die Anwendung hydraulischer Spannmittel zum Aufbringen der Vorspannung ermöglichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Zwischenringe und die Grundringe mit den aufgesetzten Kolbenringen sowie gegebenenfalls Distanzringen zentrisch auf einer Ankerbüchse
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Ankerbüchsering-IS-besteht vorzugsweise aus dem gleichen Werkstoff wie die Grund-und Zwischenringe--2 bzw. 3--, z. B. aus Stahl oder Hartmetall, während für die Führungsbüchsen --16-- ein Werkstoff guter Gleiteigenschaften gegenüber den Zylinderflächen gewählt wird, vorzugsweise Bronze oder Gusseisen.
Es sind ferner entweder die Führungsbücken --16-- oder die Distanzringe --15-- mitin Form von Nuten oder Bohrungen eingearbeiteten Kanälen versehen, durch welche das durch die Kolbenringe --4-- hindurchtretende Leckgas abströmen kann, ohne die Führungsbüchsen mit einem Differenzdruck zu belasten. Die Grund- und Zwischenringe --2 bzw. 3-liegen gasdicht aneinander und sind ferner gasdicht gegen die Spannmutter --6-- gepresst, so dass der Raum zwischen der Ankerbüchse-l-und den Grund-, Zwischen- und Distanzringen --2, 3 und 15-- und der Spannmutter --6-- drucklos gehalten werden kann.
Dieser Raum ist durch die Kanäle --7-- an der Ankerbüchse-l-sowie durch radiale Nuten --8-- im Unterlegring --9-- mit dem Raum um die Kolbenstange --10-- verbunden, welcher mit der Atmosphäre oder einer Leitung zum Abführen des Leckgases in Verbindung steht. Um die vollkommenste Abdichtung zwischen den einzelnen Ringen --2, 3 und 15-- zu erreichen, kann zusätzlich der Einbau von Dichtringen vorgesehen sein, die in Fig. 1 nicht näher dargestellt sind.
Das gasdichte Anlegen der die Kassette bildenden Ringe erfordert eine Anpresskraft angemessener Grösse, für die die Ankerbüchse-l-mit einer genügend grossen Kraft vorgespannt werden muss. Im einfachsten Fall kann diese durch Anziehen der Spannmutter --6-- aufgebracht werden. Da die erforderliche Vorspannung meistens jedoch eine Grössenordnung erreicht, die mechanisch nur schwer aufzubringen ist, ist es zweckmässig, die Vorspannung bei der Montage des Kassettenkolbens hydraulisch zu erzeugen. Eine hiefür geeignete Ausführungsform des erfindungsgemässen Kolbens ist in Fig. 2 wieder- gegeben. Die Bauelemente --1 bis 5 und 7 bis 16-- dieser Ausführungsform entsprechen vollständig der Kassette nach Fig. 1. Die Spannmutter ist in diesem Fall jedoch nicht als Hutmutter, sondern als offene Mutter --17-- ausgebildet.
Das Gewinde der Ankerbüchse-l-ist verlängert. Beim Vorspannen der Kassette dient der verlängerte Abschnitt --18-- des Gewindes zum Aufschrauben einer in den Fig. 5 bis 7 näher veranschaulichten hydraulischen Spannvorrichtung. Auf den gleichen Gewindeabschnitt wird nach dem Aufbringen der Vorspannung eine Hutmutter --19-- aufgesetzt. Diese Hutmutter --19-- ist zur Aufnahme des Ankers --11-- und der Dichtung --12-- durchbohrt. In das äusserste Ende der Hutmutterbohrung tritt die auf den Anker aufgeschraubte Mutter --13-- ein. Überschreitet der Aussendurchmesser der Spannmutter --17-- ein gewisses Mass, so ist die Beilage eines Ringes-28- (Fig. 2) oder eines Spannringes-21- (Fig. 3) zwischen der Spannmutter --17-- und dem Distanzring --15-erforderlich, wie es weiter unten ausführlich beschrieben ist.
Die Spannmutter --17-- und die Hutmutter --19-- sind bis zur gasdichten Anlage gegeneinander anzuziehen. Um die damit verbundene zusätzliche Beanspruchung der Gewindegänge der Anker- büchse-l-zu vermeiden, kann auch ein Dichtring --20-- eingelegt oder eine andere geeignete Abdichtung vorgesehen sein. Ferner kann die Hutmutter --19-- anstatt auf das verlängerte Gewinde --18-der Ankerbüchse-l-auch auf ein Gewinde --23-- aufgeschraubt sein, das am äusseren Umfang der Spannmutter --17a-- vorgesehen ist (s. Fig. 4). In diesem Fall ist ein Dichtring --24-- zwischen Hutmutter --19-- und Spannmutter --17a-- einzulegen.
Ist der Aussendurchmesser der Spannmutter --17-- genügend kleiner als der Innendurchmesser des Zylinders --14--, kann eine hydraulische Spannvorrichtung bekannter Bauart gemäss Fig. 5 auf das verlängerte Gewindeende --18-- der Ankerbüchse --1-- aufgeschraubt und gegen den Distanzring --15-abgestützt werden. Die Spannvorrichtung übt dann einerseits eine Zugkraft auf die Ankerbüchse --1- und anderseits eine Druckkraft auf die Grund-, Zwischen-und Distanzringe-2, 3 und 15-- aus.
Die Fig. 5 zeigt eine solche hydraulische Spannvorrichtung. Sie besteht aus dem ringförmigen Kolben der an dem Distanzring --15-- anliegt, und dem entsprechenden Zylinder--26--,
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Nach Aufbringen des der errechneten Vorspannkraft entsprechenden Öldruckes wird die Spannmutter --17-- an den Distanzring-15-- beigelegt, das Öl abgelassen, die Spannvorrichtung mit den Teilen --25 und 26-- demontiert und die Hutmutter --19-- mit Dichtring --20-- aufgeschraubt, Die Kassette ist dann fertig zur Verbindung mit der Kolbenstange.
Bei kleineren Durchmesserun terschieden zwischen der Spannmutter --17-- und dem Zylinder --14-der Verdichtermaschine ist es erforderlich, zwischen der Spannmutter --17-- und dem Distanzring --15-- einen Anlagering --28-- gemäss Fig.6 vorzusehen, an dem beim Vorspannen der Kolben --25-der Spannvorrichtung anliegt, so dass er nicht auf die Führungsbüchse --16-- drückt.
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Ist der Durchmesserunterschied zwischen der Spannmutter --17-- und dem Verdichterzylinder --14-so klein, dass er das Aufsetzen einer Spannvorrichtung nicht zulässt, kann ein Spannring --21-- mit einer ringförmigen Eindrehung --22- auf die Ankerbüchse --1-- zwischen der Spannmutter und dem Distanzring --15-- aufgesetzt werden. Es lässt sich dann eine Spannvorrichtung nach Fig. 7 anbringen.
Diese besteht im wesentlichen aus dem zweiteiligen Druckring --29a, b--, der in die ringförmige Ein- drehung-22-des Spannringes-21-eingelegt wird und auch an der Lauffläche der Führungsbüchse - 16-anliegen kann, einem die Druckflüssigkeit aufnehmenden Zylinder-30-, der sich an den zweiteiligen Ring-29a, b-, anlegt und diesen in seinem Hohlraum -31- zusammenhält, sowie aus dem hydraulisch beaufschlagbaren Kolben-32-, der auf das verlängerte Gewinde --18-- der Ankerbüchse-l-aufgeschraubt ist.
Bei genügend hohem Enddruck im Kompressionsraum des Verdichters ist die auf die Stirnseite der Kassette wirkende Gaskraft so gross, dass sich eine Befestigung der Kassette an der Kolbenstange-10mittels des Ankers -11- erübrigt. Die Hutmuttern-6 bzw. 19-sowie die Ankerbüchse-l-sind in diesem Fall nicht axial durchbohrt. Die an die Kolbenstange -10-- anliegende Fläche der Anker- büchse-l-kann dann beliebig gestaltet werden, entweder ganz eben, wie in Fig. 8 dargestellt oder
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