Verfahren für den Betrieb eines Labyrinthkolben-Kompressors und Kompressor zur Durchführung des Verfahrens Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren für den Betrieb eines Kolbenkompressors zum Fördern von gasförmigem Medium, welcher Kompressor einen am Umfang Dichtungslabyrinthe aufweisenden, schmiermittelfrei im Zylinder arbeitenden Kolben be sitzt. Ferner bezieht sich die Erfindung auf einen Kolbenkompressor zur Durchführung des Verfahrens.
Bei bisherigen Kompressoren dieser Art wird der Kolben ausschliesslich durch die ausserhalb des Zylin ders liegenden Führungen, nämlich durch die Kreuz kopfführung und durch eine an der Kolbenstange angreifende Führung, im Zylinder zentriert.
Demgegenüber besteht das erfindungsgemässe Verfahren darin, dass während des Betriebes in dem Spalt zwischen Kolben und Zylinder auf den Kolben eine radial nach innen gerichtete Kraft erzeugt wird, welche auf der Seite einer bei Exzentrizität des Kol bens eintretenden Spaltverkleinerung selbsttätig an wächst. Als Zentrierkraft kommt jede von aussen einwirkende oder im Kompressor durch besondere Massnahmen erzeugte Radialkraft in Betracht, z. B. eine auf aerodynamischem Weg erzeugte, gegebenen falls unter Einleitung von fremdem Gas hervorge rufene oder auch eine unmittelbar von aussen wir kende, etwa magnetische Kraft in Betracht.
Bei dem Kompressor zur Durchführung des Ver fahrens sind in weiterer Erfindung mindestens an einem der beiden Teile Kolben und Zylinder Radial kraft auf den Kolben erzeugende Mittel zur aero dynamischen Zentrierung des Kolbens mit Hilfe von gasförmigem Medium vorgesehen. Die Radialkraft- Erzeugungsmittel können z. B. in am Kolbenumfang angebrachten Zentrierkammern, welche mit aus dem Kompressionsraum oder einer fremden Druckquelle stammendem Gas gespeist sind, oder in konischen Zentrierteilen des Kolbens, an welchen das Gas aus dem Kompressionsraum oder - z.
B. beim Anfahren - über die Kolbenstange zugeführtes Fremdgas wäh rend des Kolbenhubes, besonders während des Kom pressionshubes vorbeiströmt, bestehen.
Bei Maschinen mit geringem Kolbenspiel und während des Betriebes auftretendem Abrieb der Labyrinthe, also praktisch mit während des Be triebes allmählich anwachsendem Spiel, wird durch die Zentrierung der Abrieb vermindert, so dass das anfänglich geringe Spiel länger erhalten bleibt und der Kolben bzw. sein Labyrinthmantel weniger oft erneuert zu werden braucht. Soll möglichst hoher Druck oder guter Liefergrad mit der Maschine er zielt werden, so kann das anfängliche Spiel zwischen Kolben und Zylinder geringer als bisher gehalten werden.
Muss die Maschine auf einem weniger stabilen Fundament aufgestellt werden oder treten aus son stigen Gründen Schwingungen des Kolbens oder Zylinders während des Betriebes auf, so führen sie bei Zentrierung weniger leicht zu Kolbenberührung und Abrieb der Labyrinthe.
Gegebenenfalls sind die Zentriermittel für den Kolben ausser der Kreuzkopfführung für die Kolben stange die einzige Führung für Kolben und Kolben stange. Auf eine zwischen Kolben und Kreuzkopf angeordnete, an der Kolbenstange angreifende Füh rung kann dann verzichtet werden. Dadurch wird die Bauart des Kompressors, gedrungener.
Während bei bisherigen Labyrinthkolben-Kom- pressoren praktisch die ganze Kolbenlänge mit Dich- tungslabyrinthen überdeckt ist, wird bei dem erfin dungsgemässen Kompressor im allgemeinen ein Teil der Kolbenlänge zur Anbringung der Radialkraft- Erzeugungsmittel (Zentriermittel) herangezogen sein, sofern diese nicht ausschliesslich im Zylinder ange- bracht sind.
Da es jedoch wegen der Zentrierung möglich ist, das anfängliche, bei Inbetriebsetzung der Maschine vorhandene, geringe Kolbenspiel für längere Betriebszeit aufrechtzuerhalten, kann die Dichtungsfähigkeit des Kolbens - wie die Versuche ergaben - insgesamt trotzdem verbessert werden.
Mit Vorteil wird für die Gaszentrierung des Kol bens das Gas im Kompressionsraum bzw. das daraus strömende Leckgas herangezogen. Es kann aber auch - z. B. beim Anfahren, wenn noch kein Druck oder noch nicht genügend hoher Druck im Kompressions raum herrscht und damit eine Leckgaszentrierung nicht wirksam genug wäre - Fremdgas, am besten die gleiche Gasart wie das Fördergas, zugeführt wer den. In beiden Fällen, also bei Leckgasausnutzung oder bei Fremdgaszuführung, kann das Gas über den Aussenumfang des Kolbens oder (und) über den Innenumfang des Zylinders geleitet und zur Kolben zentrierung ausgenutzt werden.
Auf der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des erfindungsgemässen Kompressors dargestellt.
Fig. 1 ist ein schematischer Schnitt durch den Zylinder einer ersten Bauart des Kolbenkompressors. Fig. 2 veranschaulicht eine Einzelheit einer ab gewandelten Ausführungsform in grösserem Massstab. Fig.3 bis 6 zeigen ebenfalls in schematischen Schnitten vier weitere Ausführungsformen des Kom- pressors und Fig. 7 ist ein die Druckverhältnisse erläuterndes Schema.
In einem Zylinder 1 des Kolbenkompressors nach Fig. 1 ist ein mit Labyrinthen 2 ausgestatteter, auf einer Kolbenstange 62 befestigter Kolben 3 hin und her beweglich. Die Maschine ist zweifach wirkend. Das Fördergas wird wechselweise über die Saug ventile 4, 5 in die beiderseitigen Kompressionsräume 6, 7 eingeführt und über die Druckventile 8, 20 wieder nach aussen geleitet. Der Kolben 3 besitzt an seinen beiden den Kompressionsräumen 6, 7 zu gekehrten Enden konische, labyrinthfreie, glatte Oberfläche aufweisende Zentrierteile 9, 11, die durch Druckausgleich-Ringkanäle 10 von dem mittleren Labyrinthteil getrennt sind.
Bei dem ausgezogen dargestellten Beispiel ist die Konizität der Teile 9, 11 derart gestaltet, dass sich der Kolben in Richtung auf die Kompressionsräume 6, 7 hin jeweils ver jüngt. Beim Aufwärtshub des Kolbens 3 wirkt dann der Zentrierteil 9 und beim Abwärtshub der Zen trierteil 11 zentrierend.
Der Kolben 3 -ist nicht koaxial zu der Zylinder achse 12 gezeichnet; vielmehr ist seine Achse 13 um den Betrag e aus der Achse 12 gerückt. Dabei hat der Kolben im Zylinder 1 in der Zeichnung rechts, beim Schlitz 14, ein der Deutlichkeit wegen übertrieben gross wiedergegebenes minimales Spiel S",;", links - beim Schlitz 15 - ein sich dabei einstellendes Maximalspiel S",",. Auf der Höhe des Zentrierteiles 9 sind aussen zwei schematische Druck diagramme eingezeichnet, auf deren Abszisse der Druck p und auf deren Ordinate die Höhe des Zentrierteiles 9 aufgetragen ist.
Der Zentrierteil 9 soll sich dabei in irgendeiner Stellung während des Aufwärtshubes des Kolbens 3 und damit während der Kompression im Raum 6 befinden. Die Ver suche ergaben nun, dass, wenn im Kompressionsraum 6 ein Momentandruck p" herrscht, am unteren Ende des rechten, engeren Schlitzes 14 ein etwas kleinerer Druck p, und am unteren Ende des gegenüberliegen den Schlitzes 15 ein Druck pe herrscht, der kleiner als der Druck p, ist. Die gesamte, der schraffierten Fläche des Diagrammes am Schlitz 14 entsprechende, zur Achse 13 hingerichtete Druckkraft P ist daher grösser als die entsprechende, im Schlitz 15 wirkende Druckkraft P'.
In dem gesamten Ringspalt zwischen Kolben 3 und Zylinder 1 wird durch den Zentrierteil 9 während des Betriebes eine radial nach innen zur Achse 12 hin gerichtete Zentrierkraft erzeugt, deren Betrag bei vollkommener Konzentrizität entspre chender Kolbenstellung ringsherum gleich ist, wäh rend er bei einer Kolbenexzentrizität e auf der Seite einer Verkleinerung des Spaltes, also beim Spalt 14, selbsttätig anwächst, und zwar um so mehr, je klei ner der Spalt wird. Bei Berührung von Kolben und Zylinder tritt die grösste Zentrierkraft auf, und zwar an der Berührungsstelle. Der Kolben 3 wird daher zur Achse 12 hin gedrückt und damit aerodynamisch zentriert. über die Kanäle 10 kann der Druck aus geglichen werden.
Entsprechendes gilt bei Abwärtsbewegung des Kolbens 3, also bei Kompression im Raum 7, hin sichtlich der Drücke in den Schlitzen 16, 17 zwischen dem Zentrierteil 11 und dem Zylinder 1.
Bei einfach wirkenden Kompressoren ist z. B. auf den Zentrierteil 11 verzichtet und der Raum 7 ist unten offen. Zentrierend wirkt dann nur der Teil 9.
Der Teil 9 kann am Umfang auch gemäss der in Fig. 2 gestrichelt eingezeichneten Linie 63 oder ent sprechend der strichpunktiert eingezeichneten Linie 64 ausgebildet sein. Bei dieser Bauart ist übrigens auch gezeigt, dass mehrere Zentrierteile 9 und ebenso mehrere, in Fig. 2 nicht dargestellte, den Zentrier teilen 11 gemäss Fig. 1 entsprechende Zentrierteile Jeweils unmittelbar übereinander angeordnet sein können.
Gegebenenfalls können etwa bei der Ausführungs form nach Fig. 1 Gaszuführungslöcher 65, 66 in den Ringkanälen 10 angebracht sein, über welche Zentriergas aus den Kompressionsräumen 6, 7 oder aus einer Fremdgasquelle zugeführt wird. Gegebe nenfalls kann das Fremdgas über in der Kolben stange 62 befindliche Kanäle zugeleitet werden. Dies ist besonders beim Anfahren von Vorteil, wenn in den Kompressionsräumen 6, 7 noch kein Druck oder noch nicht genügend hoher Druck herrscht, welcher für die aerodynamische Zentrierung nutzbar gemacht werden könnte.
Bei dem Beispiel nach Fig. 3 sind am oberen Kolbenteil 18 und ebenso am unteren Kolbenteil 19 Zentrierkammern 22 angebracht, die über Drossel- kanäle 23 mit den Ringkanälen 10 in Verbindung stehen. Zwischen je zwei Zentrierkammern 22 be finden sich achsparallele Ausströmnuten 21. Wäh rend des Abwärtshubes, nämlich solange im Kom pressionsraum 7 höherer Druck herrscht als im Kom pressionsraum 6, strömt aus Raum 7 stammendes Gas über den oberen Ringkanal 10 und die Dros selkanäle 23 in die Zentrierkammern 22 des Teiles 18.
Aus denjenigen Kammern 22, die infolge einer momentan eintretenden exzentrischen Stellung des Kolbens 3 von der Wandung des Zylinders 1 ver hältnismässig weit entfernt sind, vermag das Gas über den weiten Schlitz 27 in die Nuten 21 und von dort in Raum 6 oder auch unmittelbar aus den Kammern 22 in Raum 6 auszuströmen. Die nach innen gerich tete Zentrierkraft hat dort also eine geringe Grösse. Auf der gegenüberliegenden Seite bildet sich jedoch der enge Schlitz 26 aus, so dass sich in den dort be findlichen Kammern 22 höherer Druck einstellt, durch den der Kolben 3 zur Mitte hin gedrückt wird.
Es wird also wiederum eine über den ganzen Um fang des Kolbens 3 der Exzentrizität entsprechend verteilte Zentrierkraft selbsttätig erzeugt, welche im engsten Teil des Spaltes, nämlich in Schlitz 26, am grössten wird. Beim Aufwärtshub des Kolbens tritt dann eine entsprechende Zentrierwirkung an den Kammern 22 des Teiles 19 auf.
Sind die Kammern 22 und die Nuten 21 in um gekehrter Weise an die Kanäle 10 bzw. die Räume 6, 7 angeschlossen (vergleiche die strichpunktiert ein gezeichneten Teile 22, 23', 21'), so strömt beim Auf wärtshub des Kolbens 3 Gas aus dem Kompressions raum 6 über die Drosselkanäle 23' in die Zentner kammern 22 des Teiles 18 ein und es entsteht in den dem engen Schlitz 26 nahen Kammern 22 höhe rer Druck als in den am weiteren Schlitz 27 gelegenen Kammern 22, so dass ebenfalls wieder die erwähnte Zentrierwirkung eintritt. Das Gas strömt in diesem Fall hauptsächlich aus den den Schlitz 27 benach barten Kammern 22 in die Nuten 21' und von hier über den oberen Ringkanal 10 ab.
Entsprechend strömt beim Abwärtshub des Kolbens Gas aus dem Kompressionsraum 7 über Drosselkanäle 23' in die Kammern 22 des Teiles 19 ein, so dass wieder die erwähnte Zentrierung eintritt.
Ist die Maschine einfach wirkend, ist also der Raum 7 unten offen, so kommen als Zentriermittel lediglich diejenigen Teile 22, 23, 21 bzw. 23', 21' in Betracht, die beim Aufwärtshub wirksam sind, also die ausgezogen dargestellten Teile 22, 23, 21 des unteren Kolbenteiles 19 oder (und) die strich punktiert eingezeichneten Teile 22, 23', 21' des oberen Kolbenteiles 18.
Bei der Bauart nach Fig. 4 ist der Kolben 3 hohl ausgebildet und besitzt in zwei den Kompressions räumen 6, 7 zugekehrten Bereichen Labyrinthteile 31, 32. Zwischen ihnen ist ein mit Kammern 33 versehener Zentrierteil 34 angeordnet. Beiderseits des Teiles 34 sind wiederum Ringkanäle 10 ausgespart. Die Kammern 33 stehen über Drosselkanäle 35 mit dem Kolbeninneren 36 in Verbindung, in das bei Auf- und Abwärtsbewegung des Kolbens 3 Gas aus dem Kompressionsraum 6 über ein Ventil 37 bzw. aus dem Kompressionsraum 7 über ein entsprechen des Ventil 38 einströmt. Das in Raum 36 befind liche Gas tritt über die Drosselkanäle 35 in die Kammern 33 ein.
In denjenigen Kammern 33, die dem engen Schlitz 26 benachbart sind, entsteht ein höherer Druck als in den gegenüberliegenden Kam mern 33 bei dem weiten Schlitz 27, so dass eine in Fig. 4 von rechts nach links, wirkende Zentrie rung eintritt. Aus den Kammern 33 mit höherem Druck strömt das Gas über den engen Schlitz 26 in die Ringkanäle 10 und von hier über den weiten Schlitz 27 in einen oder beide Kompressionsräume weiter.
Bei dem Beispiel nach Fig. 5 besitzt der Kolben 3 drei Labyrinthteile 31, 41, 32 und zwei mit Kam mern 33 versehene Zentrierteile 34, 42. Die Zen trierteile 34, 42 sind jeweils beiderseits durch Ring kanäle 10 von den Labyrinthteilen 31, 41, 32 ge trennt. Sämtliche Kammern 33 sind von stehen gebliebenen Teilen 43 umschlossen, welche eine quadratische Umgrenzung bilden. Je zwei in der Zeichnung übereinander liegende Kammern 33 sind gemeinsam durch einen Kanal 45 mit dem Kom pressionsraum 6 oder dem Kompressionsraum 7 ver bunden, und zwar sind wechselweise z.
B. die einen Kammerpaare 46 mit dem Kompressionsraum 6 und die anderen Kammerpaare 47 mit dem Kompres sionsraum 7 verbunden.
Die Ausführungsform nach Fig. 6 entspricht der jenigen nach Fig. 4, jedoch sind hier die Kammern 33 über in der Kolbenstange angebrachte Kanäle 51, 52 mittels von aussen zugeführten Zentriergases ge speist. Vorteilhaft wird die gleiche Gasart als Zen triermedium verwendet, die auch über die Ventile 4, 5 einströmt.
In Fig. 6 ist übrigens angedeutet, wie im Zylin der 1 Radialkraft-Erzeugungs- und damit Zentrier mittel eingebaut sein können. Zu diesem Zweck kann der Zylinder mit über den ganzen Umfang verteilten Kammern 53 versehen sein, vor die eine als Blende ausgebildete Drosselstelle 61 geschaltet ist und welche über Ventile 54, 55 enthaltende Leitungen 56, 57 mit den Kompressionsräumen 6, 7 in Verbindung stehen oder über eine den Kanälen 51, 52 entsprechende Leitung 58 mit neu zugeführ tem Zentriergas gespeist werden.
Die Druckverhältnisse bei den Ausführungsfor men nach Fig. 3 bis 6 sind in Fig.7 schematisch veranschaulicht. Das über Kanäle 23 (Fig.3), 35 (Fig.4 bis 6), 45 oder 56, 57, 58 (Fig. 6) in die Zentrierkammern 22, 33 bzw. 53 einströmende Gas steht unter dem Druck pa. Den Drosselkanälen 23, 35 bzw. der Blende 61 ist ein konstanten Durch lassquerschnitt aufweisendes Drosselorgan 25 äquiva lent.
In den Zentrierkammern 22, 33, 53 herrscht ein Druck pk. Den Schlitzen 26, 27 ist ein Drossel organ 28 äquivalent, dessen Durchlassquerschnitt für jede Kammer 22, 33, 53 einen anderen Betrag hat, und zwar ist er für die dem engsten Schlitz 26 benachbarten Kammern am kleinsten und wird kon tinuierlich grösser, je weiter entfernt die Kammern hiervon sind; der grösste Durchlassquerschnitt des Organs 28 entspricht dem weitesten Schlitz 27.
Nach Durchströmen der Schlitze 26 bzw. 27 gelangt das Gas in die Nuten 21 bzw. in die Ringkanäle 10, in denen ein Druck p, herrscht. Der Druck p" ist grösser als der Kammerdruck p1, und dieser Druck p1, ist grösser als der Druck pe. Die Differenz zwi schen den Drücken p1; und p, ist am grössten auf der Seite des schmalen Schlitzes 26 und am geringsten auf der gegenüberliegenden Seite des weiten Schlitzes 27, wo sie praktisch verschwindet.
Ähnlich wie bei Fig. 1 und 3 ausgeführt, kön nen auch die Zentriermittel nach Fig.4 bis 6 bei einfach wirkenden Maschinen verwendet werden. In diesem Fall ist auf die Ventile 5, 20 verzichtet und der Zylinder 1 ist unten offen. Ferner fallen das Ventil 38 gemäss Fig.4, die Kammerpaare 47 mit den unteren Kanälen 45 gemäss Fig. 5 und die das Ventil 55 enthaltende Leitung 57 gemäss Fig. 6 fort.
Eine weitere Abwandlung ergibt sich, wenn am Kolbenumfang oder (und) an der Zylinderwandung statt Zentnerkammern Löcher angebracht sind, die über Gaszuführungskanäle wechselweise mit den Kompressionsräumen 6, 7 oder einer Fremdgasquelle in Verbindung stehen.
Es müssen verhältnismässig viele Löcher von relativ kleinem Durchlassquerschnitt sein, damit die Löcher Drosselstellen für das in dem Spalt zwischen Kolben und Zylinder befindliche Gas bilden können, welches im Fall einer Auslenkung des Kolbens aus der Achse 12 an den Stellen von Spalt verkleinerung (bei 26) in den Löchern gestaut wird. An den dem engen Schlitz 26 benachbarten Löchern entsteht dann grösserer Druck als an den gegen überliegenden, dem grösseren Schlitz 27 benach barten Löchern, so dass wieder eine entsprechende Zentrierwirkung eintritt.
Ferner kann ein und derselbe Kolben z. B. einen konischen Zentrierteil und ausserdem Zentrierkam- mern etwa zur Zuführung von Fremdgas beim An fahren besitzen oder der Kolben ist mit einem konischen Zentrierteil und der Zylinder mit Zentrier kammern ausgerüstet. Es sind also die verschie densten Kombinationen der erwähnten Zentrierungs- mittel für das Verfahren zum Betrieb des Labyrinth- kolben-Kompressors möglich.
Method for operating a labyrinth piston compressor and compressor for carrying out the method The invention relates to a method for operating a piston compressor for conveying gaseous medium, which compressor sits on a circumferential seal labyrinth having, lubricant-free piston working in the cylinder. The invention also relates to a piston compressor for carrying out the method.
In previous compressors of this type, the piston is centered in the cylinder exclusively by the guides located outside the cylinder, namely by the cross head guide and by a guide acting on the piston rod.
In contrast, the method according to the invention consists in the fact that a radially inwardly directed force is generated on the piston during operation in the gap between the piston and the cylinder, which force automatically increases on the side of a gap reduction occurring when the piston is eccentric. Any radial force acting from the outside or generated in the compressor by special measures can be used as the centering force, e.g. B. one generated by aerodynamic means, if necessary with the introduction of foreign gas called or even one directly from the outside we kende, about magnetic force into consideration.
In the compressor for carrying out the process Ver are provided in a further invention at least on one of the two parts piston and cylinder radial force on the piston generating means for aerodynamic centering of the piston with the help of gaseous medium. The radial force generating means can, for. B. in centering chambers attached to the piston circumference, which are fed with gas originating from the compression chamber or an external pressure source, or in conical centering parts of the piston to which the gas from the compression chamber or - z.
B. when starting - via the piston rod supplied foreign gas during the piston stroke rend, especially during the Kom pressionshubes flows past exist.
In machines with low piston play and abrasion of the labyrinths that occur during operation, i.e. practically with gradually increasing play during operation, the centering reduces wear, so that the initially small play is retained longer and the piston or its labyrinth casing less often needs to be renewed. If the highest possible pressure or a good degree of delivery is to be achieved with the machine, the initial clearance between piston and cylinder can be kept lower than before.
If the machine has to be set up on a less stable foundation or if the piston or cylinder vibrates during operation for other reasons, they lead less easily to piston contact and abrasion of the labyrinths when centered.
If necessary, the centering means for the piston are apart from the crosshead guide for the piston rod, the only guide for the piston and piston rod. A guide, which is arranged between the piston and the cross head and engages the piston rod, can then be dispensed with. This makes the design of the compressor more compact.
While in previous labyrinth piston compressors practically the entire piston length is covered with sealing labyrinths, in the compressor according to the invention, part of the piston length is generally used to attach the radial force generating means (centering means), unless these are exclusively located in the cylinder - are brought.
However, since the centering makes it possible to maintain the initial small piston clearance that is present when the machine is started up for a longer period of operation, the sealing capability of the piston can nevertheless be improved overall - as the tests have shown.
The gas in the compression chamber or the gas leakage flowing from it is advantageously used for gas centering of the piston. But it can also - z. B. when starting up, when there is still no pressure or not enough high pressure in the compression room and a leakage gas centering would not be effective enough - foreign gas, preferably the same type of gas as the conveying gas, is supplied to whoever. In both cases, i.e. when the leakage gas is exploited or when foreign gas is supplied, the gas can be passed over the outer circumference of the piston or (and) over the inner circumference of the cylinder and used to center the piston.
Exemplary embodiments of the compressor according to the invention are shown in the drawing.
Fig. 1 is a schematic section through the cylinder of a first type of reciprocating compressor. Fig. 2 illustrates a detail of a modified embodiment from on a larger scale. 3 to 6 also show four further embodiments of the compressor in schematic sections, and FIG. 7 is a diagram explaining the pressure conditions.
In a cylinder 1 of the piston compressor according to FIG. 1, a piston 3 equipped with labyrinths 2 and fastened on a piston rod 62 is movable to and fro. The machine is double acting. The conveying gas is alternately introduced via the suction valves 4, 5 into the compression chambers 6, 7 on both sides and passed back to the outside via the pressure valves 8, 20. The piston 3 has at its two ends facing the compression chambers 6, 7 conical, labyrinth-free, smooth surface having centering parts 9, 11 which are separated from the central labyrinth part by pressure equalization ring channels 10.
In the example shown in solid lines, the conicity of the parts 9, 11 is designed in such a way that the piston tapers in the direction of the compression chambers 6, 7. During the upward stroke of the piston 3, the centering part 9 acts and the downward stroke of the Zen trier part 11 centering.
The piston 3 is not drawn coaxially to the cylinder axis 12; rather, its axis 13 has moved out of axis 12 by the amount e. The piston in cylinder 1 in the drawing on the right, at slot 14, has a minimal play S ",;", which is shown in an exaggerated manner for the sake of clarity, and on the left - at slot 15 - a maximum play S ",", which occurs. At the level of the centering part 9, two schematic pressure diagrams are drawn in on the outside of which the pressure p is plotted on the abscissa and the height of the centering part 9 is plotted on the ordinate.
The centering part 9 should be in any position during the upward stroke of the piston 3 and thus in the space 6 during the compression. The search now showed that if there is an instantaneous pressure p ″ in the compression chamber 6, at the lower end of the right, narrower slot 14 a slightly smaller pressure p, and at the lower end of the opposite slot 15 there is a pressure pe that is less than is the pressure P. The total pressure force P corresponding to the hatched area of the diagram at the slot 14 and directed towards the axis 13 is therefore greater than the corresponding pressure force P 'acting in the slot 15.
In the entire annular gap between piston 3 and cylinder 1, a radially inwardly directed centering force towards the axis 12 is generated by the centering part 9 during operation, the amount of which is the same with perfect concentricity corresponding piston position around, while it rend at a piston eccentricity e the side of a reduction in the gap, that is to say at gap 14, grows automatically, the more so the smaller the gap becomes. When the piston and cylinder come into contact, the greatest centering force occurs at the point of contact. The piston 3 is therefore pressed towards the axis 12 and thus aerodynamically centered. The pressure can be compensated for via the channels 10.
The same applies to the downward movement of the piston 3, that is to say when there is compression in the space 7, with regard to the pressures in the slots 16, 17 between the centering part 11 and the cylinder 1.
For single-acting compressors z. B. dispensed with the centering part 11 and the space 7 is open at the bottom. Only part 9 then has a centering effect.
The part 9 can also be formed on the circumference according to the line 63 drawn in dashed lines in FIG. 2 or corresponding to the line 64 drawn in dash-dotted lines. In this design, it is also shown that several centering parts 9 and also several centering parts (not shown in FIG. 2) corresponding to centering parts 11 according to FIG. 1 can each be arranged directly one above the other.
If necessary, for example in the embodiment according to FIG. 1, gas supply holes 65, 66 can be made in the annular channels 10, via which centering gas is supplied from the compression chambers 6, 7 or from a foreign gas source. If necessary, the foreign gas can be fed through rod 62 in the piston channels. This is particularly advantageous when starting up when there is no pressure or not yet sufficiently high pressure in the compression chambers 6, 7 which could be used for aerodynamic centering.
In the example according to FIG. 3, centering chambers 22 are attached to the upper piston part 18 and likewise to the lower piston part 19 and are connected to the annular channels 10 via throttle channels 23. Between each two centering chambers 22 there are axially parallel outflow grooves 21. During the downward stroke, namely as long as the pressure in Kom pressionsraum 7 is higher than in Kom pressionsraum 6, gas from chamber 7 flows through the upper annular channel 10 and the throttle channels 23 into the Centering chambers 22 of part 18.
From those chambers 22 that are relatively far removed from the wall of the cylinder 1 as a result of a momentarily occurring eccentric position of the piston 3, the gas can pass through the wide slot 27 into the grooves 21 and from there into space 6 or directly from the Chambers 22 in room 6 to flow out. The inwardly directed centering force is therefore small there. On the opposite side, however, the narrow slot 26 is formed, so that a higher pressure is set in the chambers 22 located there, through which the piston 3 is pressed towards the center.
In turn, a centering force distributed over the entire order of the piston 3 of the eccentricity is generated automatically, which is greatest in the narrowest part of the gap, namely in slot 26. During the upward stroke of the piston, a corresponding centering effect occurs on the chambers 22 of the part 19.
If the chambers 22 and the grooves 21 are connected in the opposite way to the channels 10 or the spaces 6, 7 (compare the dash-dotted parts 22, 23 ', 21'), gas flows out on the piston 3 on the wärtstub the compression space 6 via the throttle channels 23 'into the hundredweight chambers 22 of the part 18 and there is higher pressure in the chambers 22 close to the narrow slot 26 than in the chambers 22 located at the other slot 27, so that again the mentioned Centering effect occurs. In this case, the gas flows mainly from the chambers 22 adjacent to the slot 27 into the grooves 21 'and from here via the upper annular channel 10.
Correspondingly, on the downward stroke of the piston, gas flows out of the compression chamber 7 via throttle channels 23 'into the chambers 22 of the part 19, so that the aforementioned centering occurs again.
If the machine is single-acting, i.e. if the space 7 is open at the bottom, only those parts 22, 23, 21 or 23 ', 21' that are effective during the upward stroke come into consideration as centering means, i.e. the parts 22, 23 shown in solid lines , 21 of the lower piston part 19 or (and) the parts 22, 23 ′, 21 ′ of the upper piston part 18 drawn in with dashed lines.
In the design according to FIG. 4, the piston 3 is hollow and has labyrinth parts 31, 32 in two areas facing the compression spaces 6, 7. Between them, a centering part 34 provided with chambers 33 is arranged. On both sides of the part 34, in turn, annular channels 10 are recessed. The chambers 33 are connected to the piston interior 36 via throttle channels 35, into which gas flows from the compression chamber 6 via a valve 37 or from the compression chamber 7 via a corresponding valve 38 when the piston 3 moves up and down. The gas located in space 36 enters the chambers 33 via the throttle channels 35.
In those chambers 33, which are adjacent to the narrow slot 26, a higher pressure arises than in the opposing chambers 33 in the wide slot 27, so that a centering acting from right to left in FIG. 4 occurs. From the chambers 33 with higher pressure, the gas flows through the narrow slot 26 into the annular channels 10 and from here through the wide slot 27 into one or both compression chambers.
In the example of FIG. 5, the piston 3 has three labyrinth parts 31, 41, 32 and two centering parts 34, 42 provided with chambers 33. The centering parts 34, 42 are each on both sides through ring channels 10 from the labyrinth parts 31, 41, 32 separated. All chambers 33 are enclosed by remaining parts 43 which form a square boundary. Two superimposed chambers 33 in the drawing are connected together through a channel 45 with the Kom compression chamber 6 or the compression chamber 7 a related party, namely, alternately, for.
B. the one pair of chambers 46 with the compression chamber 6 and the other pairs of chambers 47 with the compression chamber 7 connected.
The embodiment according to FIG. 6 corresponds to that of FIG. 4, but here the chambers 33 are fed via channels 51, 52 provided in the piston rod by means of centering gas supplied from the outside. The same type of gas is advantageously used as the centering medium, which also flows in via the valves 4, 5.
In Fig. 6 it is also indicated how the 1 radial force generation and thus centering means can be installed in the cylinder. For this purpose, the cylinder can be provided with chambers 53 distributed over the entire circumference, in front of which a throttle point 61 designed as a diaphragm is connected and which are connected to or via lines 56, 57 containing valves 54, 55 with the compression chambers 6, 7 a line 58 corresponding to the channels 51, 52 is fed with newly supplied centering gas.
The pressure conditions in the Ausführungsfor men according to FIGS. 3 to 6 are illustrated schematically in FIG. The gas flowing into the centering chambers 22, 33 and 53 via channels 23 (FIG. 3), 35 (FIGS. 4 to 6), 45 or 56, 57, 58 (FIG. 6) is under the pressure pa. The throttle channels 23, 35 or the aperture 61 is a constant passage cross-section having throttle member 25 equiva lent.
A pressure pk prevails in the centering chambers 22, 33, 53. The slots 26, 27 is a throttle organ 28 equivalent, the passage cross-section for each chamber 22, 33, 53 has a different amount, namely it is the smallest for the narrowest slot 26 adjacent chambers and is continuously larger, the further away the chambers of this are; the largest passage cross section of the organ 28 corresponds to the widest slot 27.
After flowing through the slots 26 and 27, the gas enters the grooves 21 or the annular channels 10, in which a pressure p 1 prevails. The pressure p "is greater than the chamber pressure p1, and this pressure p1 is greater than the pressure pe. The difference between the pressures p1 and p is greatest on the side of the narrow slot 26 and least on the opposite side Side of the wide slot 27, where it practically disappears.
As shown in FIGS. 1 and 3, the centering means according to FIGS. 4 to 6 can also be used in single-acting machines. In this case, the valves 5, 20 are dispensed with and the cylinder 1 is open at the bottom. Furthermore, the valve 38 according to FIG. 4, the pairs of chambers 47 with the lower channels 45 according to FIG. 5 and the line 57 containing the valve 55 according to FIG. 6 are omitted.
A further modification results when holes are made on the piston circumference or (and) on the cylinder wall instead of central chambers, which are alternately connected to the compression chambers 6, 7 or a foreign gas source via gas supply channels.
There must be a relatively large number of holes with a relatively small passage cross-section so that the holes can form throttling points for the gas located in the gap between the piston and cylinder, which in the event of a deflection of the piston from the axis 12 is reduced in size at the points of gap (at 26) is jammed in the holes. At the holes adjacent to the narrow slot 26, greater pressure then arises than at the opposite, the larger slot 27 adjacent holes, so that a corresponding centering effect occurs again.
Furthermore, one and the same piston, for. B. have a conical centering part and also centering chambers for the supply of foreign gas when driving, or the piston is equipped with a conical centering part and the cylinder with centering chambers. The most varied combinations of the mentioned centering means are therefore possible for the method for operating the labyrinth piston compressor.