Labyrinthkolben-Kompressor Die Erfindung bezieht sich auf einen Kolbenkom pressor zum Fördern von gasförmigem Medium, der mit einem am Umfang Dichtungslabyrinthe aufweisen den Kolben versehen ist.
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 an greifende Führung, im Zylinder zentriert.
Demgegenüber besteht die Erfindung darin, dass der Kolben am Umfang mindestens einen konisch aus gebildeten, labyrinthfreien, eine glatte Oberfläche auf weisenden Zentrierteil zur aerodynamischen Zentrie rung des Kolbens mit Hilfe von gasförmigem Medium besitzt.
Bei Maschinen mit geringem Kolbenspiel und während des Betriebs auftretendem Abrieb der La- byrinthe, also praktisch mit während des Betriebs allmählich anwachsendem Spiel, wird durch die Zentrierung der Abrieb vermindert, so dass das, an fänglich geringe Spiel länger erhalten bleibt und der Kolben bzw. sein Labyrinthmantel weniger oft er neuert zu werden braucht. Soll möglichst hoher Druck oder guter Liefergrad mit der Maschine erzielt wer den, 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 Zy linders während des Betriebs auf, so führen sie bei Zentrierung weniger leicht zu Kolbenberührung und Abrieb der Labyrinthe.
Gegebenenfalls ist der konische Zentrierteil für den Kolben ausser der Kreuzkopfführung für die Kolbenstange die einzige Führung für Kolben und Kolbenstange. Auf eine zwischen Kolben und Kreuz kopf angeordnete, an der Kolbenstange angreifende Führung 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 des Radialkraft-Er- zeugungskonus herangezogen sein. Da es jedoch wegen der Zentrierung möglich ist, das anfängliche, bei Inbetriebsetzung der Maschine vorhandene, ge ringe Kolbenspiel für längere Betriebszeit aufrecht zuerhalten, kann die Dichtungsfähigkeit des Kolbens - wie die Versuche ergaben - insgesamt trotzdem verbessert werden.
Während des Betriebs wird vorteilhaft als gas förmiges Zentriermedium das aus dem Kompressions raum oder den Kompressionsräumen stammende Gas herangezogen.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung enthält der Kolben Gaszuführungslöcher, die mit dem Kom pressionsraum über ein beim Kompressionshub selbst tätig öffnendes Ventil in Verbindung stehen und bei Exzentrizität des Kolbens. bezüglich der Zylinderachse als Drosselstellen für das Gas in dem enger werden den Spalt zwischen Kolben und Zylinder wirken. Durch die Löcher kann das Gas aus dem Kompres sionsraum an den Zentrierteil geleitet werden; auch kann gegebenenfalls beim Anfahren der Maschine,. wenn im Kompressionsraum noch kein oder noch nicht genügend hoher Druck herrscht, Gas aus einer fremden Quelle zur Zentrierung eingeleitet werden, und zwar z. B. durch einen in der Kolbenstange be findlichen Zuführungskanal.
Auf der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
Fig. 1 ist ein schematischer Schnitt durch den Zy linder eines ersten Kolbenkompressors, und Fig. 2 veranschaulicht eine Einzelheit einer abge wandelten Ausführungsform in grösserem Massstab.
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 Saugventile 4, 5 in die beiderseitigen Kompressionsräume 6, 7 ein geführt und über die Druckventile 8, 20 wieder nach aussen geleitet.
Der Kolben 3 besitzt an seinen beiden den Kompressionsräumen 6, 7 zugekehrten Enden konische, labyrinthfrele, glatte Oberfläche aufwei sende Zentrierteile 9, 11, die durch Druckausgleich- Ringkanäle 10 von dem mittleren Labyrinthteil ge trennt sind.
Bei dem ausgezogen dargestellten Beispiel ist die Konizität der Teile 9, 11 derart gestaltet, dass sich der Kolben in Richtung auf die Kompressions räume 6, 7 hin jeweils verjüngt. Beim Aufwärtshub des Kolbens 3 wirkt dann der Zentrierteil 9 und beim Abwärtshub der Zentrierteil 11 zentrierend.
Der Kolben ist nicht koaxial zur Zylinderachse 12 gezeichnet; vielmehr ist seine Achse 13 um den Be trag 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".i", links beim Schlitz 15 - ein sich dabei einstellendes. Maxi malspiel S",aY. Auf der Höhe des Zentrierteils 9 sind aussen zwei schematische Druckdiagramme einge zeichnet, auf deren Abszisse der Druck p und auf deren Ordinate die Höhe des Zentrierteils 9 auf getragen ist.
Der Zentrierteil 9 soll sich dabei in irgendeiner Stellung während des Aufwärtshubs des Kolbens 3 und damit während der Kompression im Raum 6 befinden. Die Versuche 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 gegenüberliegenden Schlitzes 15 ein Druck p"' herrscht, der kleiner als. der Druck p" ist.
Die gesamte, der schraffierten Fläche des Diagramms am Schlitz 14 entsprechende, zur Achse 13 hingerich tete Druckkraft P ist daher grösser als die entspre chende, im Schlitz 15 wirkende Druckkraft P'. In dem gesamten Ringspalt zwischen Kolben 3 und Zy linder 1 wird durch den Zentrierteil 9 während des Betriebs eine radial nach innen zur Achse 12 hin ge richtete Zentrierkraft erzeugt, deren Betrag bei vollkommener Konzentrizität entsprechender Kolben stellung ringsherum gleich ist, während er bei einer Kolbenexzentrizität e auf der Seite einer Verkleine rung des Spaltes, also beim Spalt 14, selbsttätig an wächst,
und zwar um so mehr, je kleiner der Spalt wird. Bei Berührung von Kolben und Zylinder tritt die grösste Zentrierkraft auf, und zwar an der Be rührungsstelle. Der Kolben 3 wird daher zur Achse 12 hingedrückt und damit aerodynamisch zentriert. Über die Kanäle 10 kann der Druck ausgeglichen wer den.
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 ausgezogen dargestellten Zentrierteil 11 verzich tet, und der Raum 7 ist unten offen. Zentrierend wirkt dann nur der ausgezogen dargestellte Teil 9.
Der Teil 9 kann am Umfang auch gemäss der in Fig.2 gestrichelt eingezeichneten Linie 63 oder entsprechend 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 kön nen.
Gegebenenfalls können etwa bei der Ausführungs form nach Fig. 1 Gaszuführungslöcher 65, 66 in den Ringkanälen 10 angebracht sein, über welche Zen triergas aus den Kompressionsräumen 6, 7 oder aus einer Fremd'gasquelle zugeführt wird. Gegebenenfalls kann das Fremdgas über in der Kolbenstange 62 be findliche Kanäle zugeleitet werden. Dies ist besonders beim Anfahren von Vorteil, wenn in den Kompres sionsräumen 6, 7 noch kein Druck oder noch nicht genügend hoher Druck herrscht, welcher für die aero dynamische Zentrierung nutzbar gemacht werden könnte.
Labyrinth piston compressor The invention relates to a piston compressor for pumping gaseous medium, which is provided with a seal labyrinth on the circumference having the piston.
In previous compressors of this type, the piston is centered in the cylinder exclusively by the guides lying outside the cylinder, namely by the cross-head guide and by a guide on the piston rod.
In contrast, the invention consists in that the piston on the circumference has at least one conically formed, labyrinth-free, smooth surface pointing centering part for aerodynamic centering of the piston with the aid of a gaseous medium.
In machines with little piston play and abrasion of the labyrinths occurring during operation, i.e. practically with gradually increasing play during operation, the centering reduces wear, so that the initially small play remains longer and the piston or his labyrinth jacket needs to be renewed less often. 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 smaller than before.
If the machine has to be set up on a less stable foundation or if the piston or cylinder vibrates for other reasons during operation, they lead to piston contact and abrasion of the labyrinths less easily when centered.
If necessary, the conical centering part for the piston is the only guide for the piston and piston rod apart from the cross-head guide for the 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 a part of the piston length is generally used to attach the radial force generating cone. However, since it is possible because of the centering to maintain the initial, small piston clearance present when the machine is started up for a longer period of operation, the sealing ability of the piston - as the tests showed - can nevertheless be improved overall.
During operation, the gas originating from the compression space or the compression spaces is advantageously used as the gaseous centering medium.
In one embodiment of the invention, the piston contains gas supply holes which are in communication with the compression chamber via a valve which opens automatically during the compression stroke and when the piston is eccentric. with respect to the cylinder axis as throttling points for the gas in the narrower the gap between piston and cylinder will act. The gas from the compression chamber can be passed through the holes to the centering part; can also be used when starting the machine. if there is no or insufficiently high pressure in the compression chamber, gas from an external source can be introduced for centering, e.g. B. by a be sensitive feed channel in the piston rod.
Exemplary embodiments of the invention are shown in the drawing.
Fig. 1 is a schematic section through the cylinder cylinder of a first reciprocating compressor, and Fig. 2 illustrates a detail of an embodiment converted abge on a larger scale.
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 passed through the suction valves 4, 5 into the compression chambers 6, 7 on both sides and passed through the pressure valves 8, 20 to the outside again.
The piston 3 has at its two ends facing the compression chambers 6, 7 conical, labyrinthfrele, smooth surface aufwei sending centering parts 9, 11, which are separated ge by pressure compensation ring channels 10 from the central labyrinth part.
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 spaces 6, 7. The centering part 9 then acts in a centering manner on the upward stroke of the piston 3 and the centering part 11 on the downward stroke.
The piston is not drawn coaxially to the cylinder axis 12; rather, its axis 13 is 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 ".i", which is shown exaggeratedly large for the sake of clarity; Maxi malspiel S ", aY. 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 tests have now shown that when there is an instantaneous pressure p ″ in the compression chamber 6, a slightly lower pressure p ″ prevails at the lower end of the right, narrower slot 14, and a pressure p ″ ″ which is less than ″ prevails at the lower end of the opposite slot 15 . the pressure is p ".
The entire, the hatched area of the diagram at the slot 14 corresponding to the axis 13 hingerich ended compressive force P is therefore greater than the corre sponding, acting in the slot 15 compressive force P '. In the entire annular gap between the piston 3 and Zy cylinder 1, a radially inwardly directed centering force is generated by the centering part 9 during operation to the axis 12, the amount of which is the same with perfect concentricity of the corresponding piston position around, while it is eccentric at a piston on the side of a reduction in the gap, i.e. at gap 14, grows automatically,
and the more so, the smaller the gap becomes. When the piston and cylinder come into contact, the greatest centering force occurs, namely 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. on the centering part 11 shown in full line tet, and the space 7 is open at the bottom. Only the part 9 shown in solid lines 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 according 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 the 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 provided in the annular channels 10, via which center gas is supplied from the compression spaces 6, 7 or from a foreign gas source. If necessary, the foreign gas can be fed in via channels in the piston rod 62. This is particularly advantageous when starting up when there is no pressure in the compression chambers 6, 7 or there is not yet a sufficiently high pressure that could be used for aerodynamic centering.