CH690924A5 - Cylinder-piston assembly for reciprocating engines. - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zylinder-Kolben-Anordnung für Hubkolbenmaschinen, insbesondere Gasverdichter mit Labyrinthspaltkolben, bei der der Kolben mit einer Einrichtung zur axialen Führung im Zylinderdeckel gelagert ist. The present invention relates to a cylinder-piston arrangement for reciprocating piston machines, in particular gas compressors with a labyrinth gap piston, in which the piston is mounted in the cylinder cover with a device for axial guidance.
Eine Zylinder-Kolben-Anordnung dieser Art ist aus der DE 4 209 550 A1 bekannt. Bei dieser bekannten Anordnung weist die Führungseinrichtung zweiteilige Führungsringe, einen Ringträger und eine Führungsbuchse auf. Die zweiteiligen Führungsringe, die aus Trockenlaufmaterial hergestellt sind, sind in dem Ringträger angebracht, der wiederum demontierbar auf dem Führungsende der Kolbenstange befestigt ist. Die Führungsbuchse ist in die Wandung des Zylinderdeckels eingesetzt. A cylinder-piston arrangement of this type is known from DE 4 209 550 A1. In this known arrangement, the guide device has two-part guide rings, a ring carrier and a guide bush. The two-part guide rings, which are made of dry-running material, are mounted in the ring carrier, which in turn is removably attached to the guide end of the piston rod. The guide bush is inserted into the wall of the cylinder cover.
Als nachteilig bei dieser Führungseinrichtung ist zum einen anzusehen, dass sie aufgrund der werkstoffbedingten Ausdehnung vom Anfahrzustand (kalt) bis zum Erreichen der Betriebstemperatur (heiss) ein Spiel benötigt, was der labyrinthseitigen Abdichtung am Kompressorkolben abträglich ist und zu hohen Leckagen am Kolben im Anfahrzustand führt. Damit weist diese bekannte Zylinder-Kolben-Anordnung im Anfahrzustand einen hohen Energieverbrauch und einen geringen Wirkungsgrad auf. A disadvantage of this guide device is that it requires play due to the material-related expansion from the start-up state (cold) to the operating temperature (hot), which is detrimental to the labyrinth-side seal on the compressor piston and leads to high leakages on the piston in the start-up state . This known cylinder-piston arrangement thus has high energy consumption and low efficiency in the starting state.
Zum anderen kommen insbesondere stark verschmutzte Gase mit der im Zylinderdeckel angeordneten Führungseinrichtung in Berührung, sodass diese einem starken Verschleiss ausgesetzt ist, die Präzision der Führungseinrichtung damit im Betrieb nachlässt und deshalb nach oft unzureichender Laufzeit die Führungsringe erneuert werden müssen. Da die Präzision der Führungseinrichtung aber massgeblich für die Grösse des Labyrinthspalts am Kolben ist, bei dem ein Minimalspalt angestrebt ist, vergrössert sich dieser im Betrieb ebenfalls rasch, sodass der Wirkungsgrad des Verdichters schnell nachlässt und der Energieverbrauch rasch ansteigt. On the other hand, especially heavily contaminated gases come into contact with the guide device arranged in the cylinder cover, so that it is exposed to heavy wear, the precision of the guide device deteriorates during operation, and therefore the guide rings have to be replaced after an often insufficient running time. However, since the precision of the guide device is decisive for the size of the labyrinth gap on the piston, in which a minimum gap is sought, this also increases rapidly during operation, so that the efficiency of the compressor drops quickly and the energy consumption increases rapidly.
Die DE-OS 2 239 488 beschreibt einen Trockenlaufkolbenverdichter mit Labyrinthspaltkolben und eine Einrichtung zur axialen Führung des Kolbens, die auf dem Kolben selbst angeordnet ist. Diese weist jeweils einen am oberen und unteren Ende des Kolbens angeordneten Führungsring auf, der auch selbst-nachstellend ausgebildet sein kann. Damit besitzt diese bekannte Zylinder-Kolben-Anordnung jedoch Nachteile bezügl. der Beschleunigungskräfte mit wechselnden Vorzeichen. DE-OS 2 239 488 describes a dry-running piston compressor with a labyrinth gap piston and a device for axially guiding the piston, which is arranged on the piston itself. This each has a guide ring arranged at the upper and lower ends of the piston, which can also be designed to be self-adjusting. However, this known cylinder-piston arrangement has disadvantages. of the acceleration forces with changing signs.
Vor diesem Hintergrund ist es daher Aufgabe der Erfindung, bei Zylinder-Kolben-Anordnungen der angeführten Art die Einrichtung zur axialen Führung des Kolbens im Zylinderdeckel derart zu verbessern, dass der Labyrinthspalt der reibungsfreien, berührungslosen Labyrinthspalt-Abdichtung am Kompressorkolben sowohl beim Anfahren als auch während des Betriebs konstant aufrechterhalten wird. Against this background, it is therefore an object of the invention to improve the device for axially guiding the piston in the cylinder cover in cylinder-piston arrangements of the type mentioned in such a way that the labyrinth gap of the frictionless, contactless labyrinth gap seal on the compressor piston both when starting up and during operation is maintained.
Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, dass die im Zylinderdeckel angeordnete Führungseinrichtung des Kolbens selbst-nachstellend ausgebildet ist. This object is achieved in that the guide device of the piston arranged in the cylinder cover is designed to be self-adjusting.
Durch die selbst-nachstellend ausgebildete Führungseinrichtung kann diese zum einen spielfrei im Zylinderdeckel montiert werden, da die werkstoffbedingte Ausdehnung vom Anfahrzustand bis zum Erreichen der Betriebstemperatur von der Führungseinrichtung ausgeglichen wird. Damit weist diese erfindungsgemässe Zylinder-Kolben-Anordnung von Anfang an den angestrebten Minimalspalt des Labyrinthspaltes am Kompressorkolben auf, verbunden mit einer geringen Leckage am Kolben, einem geringen Energieverbrauch und einem hohen Wirkungsgrad. Due to the self-adjusting guiding device, it can be installed without play in the cylinder cover, since the material-related expansion is compensated by the guiding device from the start-up state until the operating temperature is reached. This cylinder-piston arrangement according to the invention thus has the desired minimum gap of the labyrinth gap on the compressor piston right from the start, combined with low leakage on the piston, low energy consumption and high efficiency.
Zum anderen gleicht die selbst-nachstellend ausgebildete Führungseinrichtung den zwangsläufig durch die im zu verdichtenden Medium enthaltenen abrasiven Teilchen hervorgerufenen Verschleiss aus, sodass der angestrebte Minimalspalt am Kompressorkolben während des Betriebes über einen langen Zeitraum aufrechterhalten wird und die Zylinder-Kolben-Anordnung damit einen im Wesentlichen konstant niedrigen Energieverbrauch und einen im Wesentlichen konstant hohen Wirkungsgrad aufweist. Durch entsprechend gewählte Nachstellwege der Führungselemente wird ein mehrjähriger Betrieb ohne erforderliche Erneuerung der Führungselemente sichergestellt. On the other hand, the self-adjusting guiding device compensates for the wear caused by the abrasive particles contained in the medium to be compressed, so that the desired minimum gap on the compressor piston is maintained over a long period of time during operation and the cylinder-piston arrangement is essentially one consistently low energy consumption and an essentially constant high efficiency. Appropriately selected adjustment paths for the guide elements ensure that it can be used for several years without the need to renew the guide elements.
Zur vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung empfiehlt es sich, die Führungseinrichtung mit einem leicht auswechselbaren, in einer Ausnehmung des Zylinderdeckels angeordneten Lagerträger auszubilden. For an advantageous further development of the invention, it is advisable to design the guide device with an easily replaceable bearing bracket arranged in a recess in the cylinder cover.
Auf diese Weise werden besonders günstige Bedingungen für Montage, Kontrolle, Wartung und eventuellen Austausch von Teilen der Führungseinrichtung geschaffen. In this way, particularly favorable conditions for assembly, inspection, maintenance and eventual replacement of parts of the guide device are created.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist im Lagerträger mindestens ein Stützring mit einer radialen nach innen weisenden ersten konischen Ringfläche angeordnet, mindestens ein Lagerring mit einer radial nach aussen weisenden, mit der ersten konischen Ringfläche des Stützrings zusammenwirkenden zweiten konischen Ringfläche, wobei der Lagerring aus mindestens zwei gleichen, als Ringstücke ausgebildeten Lagerelementen besteht, die mit einem Freiraum zueinander angeordnet sind, sowie mindestens ein federbelasteter Druckring, der auf die Stirnfläche der Lagerelemente drückt und eine in axialer Richtung wirkende, die Lagerelemente gegen die Stützringe drückende Kraftkomponente erzeugt. In a further advantageous development of the invention, at least one support ring with a radially inwardly facing first conical ring surface is arranged in the bearing bracket, at least one bearing ring with a radially outwardly facing second conical ring surface interacting with the first conical ring surface of the support ring, the bearing ring being made of there are at least two identical bearing elements designed as ring pieces, which are arranged with a space to one another, and at least one spring-loaded pressure ring which presses on the end face of the bearing elements and produces a force component acting in the axial direction and pressing the bearing elements against the support rings.
Der im Lagerträger angeordnete Stützring kann im Rahmen der Erfindung im Lagerträger ortsfest fixiert sein. Damit sind die Lagerelemente, die mit ihrer konischen Ringfläche an der konischen Ringfläche des Stützringes anliegen, durch den federbelasteten Druckring kontinuierlich in axialer Richtung vorgespannt und werden durch die Keilwirkung der aufeinander gleitenden konischen Flächen von Stützring und Lagerelementen konstant mit einer vorbestimmten Kraft gegen das Führungselement der Kolbenstange gedrückt. Somit ist zum einen möglich, das Führungsende der Kolbenstange spielfrei in der erfindungsgemässen Führungseinrichtung zu führen. Zum anderen gleicht die erfindungsgemässe Führungseinrichtung den an den innen liegenden Lagerflächen der Lagerelemente auftretenden Verschleiss selbsttätig aus, wobei durch den Freiraum zwischen den Lagerelementen das Nachstellen der Lagerelemente ermöglicht wird. The support ring arranged in the bearing bracket can be fixed in place in the bearing bracket within the scope of the invention. Thus, the bearing elements, which bear with their conical ring surface on the conical ring surface of the support ring, are continuously biased in the axial direction by the spring-loaded pressure ring and are constantly subjected to a predetermined force against the guide element by the wedge effect of the conical surfaces of the support ring and bearing elements sliding on one another Piston rod pressed. Thus, on the one hand, it is possible to guide the guide end of the piston rod without play in the guide device according to the invention. On the other hand, the guide device according to the invention automatically compensates for the wear occurring on the inner bearing surfaces of the bearing elements, the clearance between the bearing elements making it possible to readjust the bearing elements.
Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Druckring einen ringförmigen Absatz aufweist und in einem Gleitring innerhalb des Lagerträgers geführt ist. Damit wird zum einen eine sichere Funktion der Führungseinrichtung gewährleistet, da der vorteilhafterweise aus selbstschmierendem Trocken-Gleitwerkstoff gebildete Gleitring ein Blockieren des Druckringes im Lagerträger verhindert und dieser somit immer an den Lagerelementen anliegt. Zum anderen wird durch den Absatz auf dem Druckring eine Verschleissstrecke fest vorgegeben, da bei Erreichen dieses vorgegebenen Verschleisses der Lagerelemente der Druckring zum Anliegen am Stützring kommt und damit die Lagerelemente nicht mehr nachstellen kann. A particularly advantageous development of the invention provides that the pressure ring has an annular shoulder and is guided in a slide ring within the bearing bracket. On the one hand, this ensures a safe function of the guide device, since the slide ring, which is advantageously formed from self-lubricating dry sliding material, prevents the pressure ring from blocking in the bearing bracket and thus always bears against the bearing elements. On the other hand, the shoulder on the pressure ring predefines a wear path, since when this predetermined wear of the bearing elements is reached, the pressure ring comes to rest on the support ring and can therefore no longer readjust the bearing elements.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Further advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. A preferred embodiment of the invention is explained in more detail below with reference to the drawings.
Dabei zeigt: It shows:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform der Einrichtung zur axialen Führung des Kolbens, und Fig. 2 eine Draufsicht auf einen Lagerring der Einrichtung zur axialen Führung gemäss Fig. 1. Fig. 1 shows a longitudinal section through a preferred embodiment of the device for axially guiding the piston, and FIG. 2 shows a top view of a bearing ring of the device for axial guidance according to FIG. 1.
In Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform der Einrichtung zur axialen Führung des Kolbens dargestellt, wobei in der rechten Zeichnungshälfte der selbst nachgestellte Zustand bei starkem Verschleiss dargestellt ist. Die Einrichtung zur axialen Führung des Kolbens weist einen Lagerträger 10 auf, der in einer Ausnehmung des Zylinderdeckels 42 angeordnet ist. Die Einrichtung zur axialen Führung des Kolbens lagert und führt eine Kolbenstange 40, an der ein (nicht dargestellter) Kompressorkolben befestigt ist, und zwar unterhalb der in Fig. 1 dargestellten Einrichtung zur axialen Führung. In Fig. 1 is a longitudinal section through a preferred embodiment of the device for the axial guidance of the piston is shown, in the right half of the drawing, the self-adjusted state is shown with heavy wear. The device for axially guiding the piston has a bearing bracket 10 which is arranged in a recess in the cylinder cover 42. The device for axially guiding the piston supports and guides a piston rod 40 to which a compressor piston (not shown) is fastened, specifically below the device for axially guiding shown in FIG. 1.
In dem in einer Ausnehmung des Zylinderdeckels 42 angeordneten Lagerträger 10 sind eine Anzahl von Stützringen 12 in axialer Richtung hintereinander angeordnet. Diese Stützringe 12 sind kreisringförmig ausgebildet und haben jeweils eine radial nach innen weisende erste konische Ringfläche 14. Diese Stützringe 12 sind weiterhin ortsfest im Lagerträger 10 fixiert. Dazu werden sie mit der Spannmutter 16 und dem Druckstück 18 im Lagerträger 10 verspannt, wobei sich die hintereinander angeordneten Stützringe 12 jeweils mit zwischen ihnen angeordneten Gleitringen 36 aufeinander abstützen. In the bearing bracket 10 arranged in a recess of the cylinder cover 42, a number of support rings 12 are arranged one behind the other in the axial direction. These support rings 12 are annular and each have a radially inwardly facing first conical ring surface 14. These support rings 12 are also fixed in place in the bearing bracket 10. For this purpose, they are clamped in the bearing bracket 10 with the clamping nut 16 and the pressure piece 18, the support rings 12 arranged one behind the other being supported on each other with slide rings 36 arranged between them.
Weiterhin weist die Einrichtung zur axialen Führung eine Anzahl von hintereinander angeordneten Lagerringen auf, die der Anzahl der hintereinander angeordneten Stützringe 12 entspricht, wobei ein Lagerring aus drei gleich als Ringstücke ausgebildeten Lagerelementen 20 besteht, wie der Fig. 2 zu entnehmen ist. Die Lagerelemente 20 weisen jeweils eine radial nach aussen weisende, mit der ersten konischen Ringfläche 14 des Stützringes 12 zusammenwirkende zweite konische Ringfläche 22 auf. Weiterhin ist jeweils pro Lagerring ein Druckring 30 vorgesehen. Diese sind jeweils so in der Einrichtung zur axialen Führung der Kolbenstange 40 angeordnet, dass sie jeweils auf die Stirnflächen der Lagerelemente 20 drücken. Die Druckringe 30 sind mittels Federn 32 federbelastet, die sich jeweils am nachfolgenden Stützring 12 abstützen und eine in axialer Richtung wirkende Kraftkomponente erzeugen. Furthermore, the device for axial guidance has a number of bearing rings arranged one behind the other, which corresponds to the number of support rings 12 arranged one behind the other, wherein a bearing ring consists of three bearing elements 20 which are designed as ring pieces, as can be seen in FIG. 2. The bearing elements 20 each have a radially outwardly facing second conical ring surface 22 which interacts with the first conical ring surface 14 of the support ring 12. Furthermore, a pressure ring 30 is provided for each bearing ring. These are each arranged in the device for axially guiding the piston rod 40 in such a way that they each press on the end faces of the bearing elements 20. The pressure rings 30 are spring-loaded by means of springs 32, which are each supported on the subsequent support ring 12 and generate a force component acting in the axial direction.
Die Druckringe 30 werden durch die Gleitringe 36, mit denen sich die hintereinander angeordneten Stützringe 12 aufeinander abstützen, im Lagerträger 10 geführt und weisen einen ringförmigen Absatz 34 auf. The pressure rings 30 are guided in the bearing bracket 10 by the slide rings 36 with which the support rings 12 arranged one behind the other are supported and have an annular shoulder 34.
Wie der Fig. 2 zu entnehmen ist, sind die drei Lagerelemente 20, die zusammen einen Lagerring bilden, mit einem Freiraum 29 zueinander angeordnet, der die Nachstellbarkeit ermöglicht. An ihrer radial nach innen weisenden Lagerfläche 26 weisen sie jeweils eine in axialer Richtung verlaufende Entlastungsnut 28 auf. Radial nach aussen weisend ist jeweils die zweite konische Ringfläche 22 angeordnet, die mit der ersten konischen Ringfläche 14 der Stützringe 12 zusammenwirkt. As can be seen from FIG. 2, the three bearing elements 20, which together form a bearing ring, are arranged with one another with a free space 29, which enables the adjustability. On their radially inward-facing bearing surface 26, they each have a relief groove 28 running in the axial direction. The second conical ring surface 22, which cooperates with the first conical ring surface 14 of the support rings 12, is arranged radially outward.
Die selbst-nachstellende Wirkungsweise der Einrichtung zur axialen Führung der Kolbenstange 40 wird nun erläutert. Der Ausgangszustand bzw. der neumontierte Zustand der Einrichtung zur axialen Führung der Kolbenstange 40 ist in Fig. 1 in der linken Zeichnungshälfte dargestellt. Die Lagerelemente 20 werden von dem Druckring 30, der eine in axialer Richtung wirkende Kraftkomponente erzeugt, gegen den Stützring 12 gedrückt. Durch die Keilwirkung der aufeinander liegenden konischen Flächen 14 und 22 legen sich die Lagerelemente 20 dabei mit ihren Lagerflächen 26 spielfrei an die Kolbenstange 40 an. Damit wird eine spielfreie Montage der Führungseinrichtung im Zylinderdeckel 42 ermöglicht, da die werkstoffbedingte Ausdehnung vom Anfahrzustand bis zum Erreichen der Betriebstemperatur durch die beschriebene, in axialer Richtung wirkende Kraftkomponente des Druckringes, in Zusammenwirkung mit der Keilwirkung der konischen Ringflächen 14 und 22 ausgeglichen wird. In der rechten Zeichnungshälfte ist der Zustand bei starkem Verschleiss dargestellt. Hier sind die Lagerelemente 20 an ihren Lagerflächen 26 stark verschlissen. Durch die in Axialrichtung wirkende Kraftkomponente der Druckringe 30, die Keilwirkung der konischen Flächen 22 und 14 und den Freiraum zwischen ihnen bleiben sie jedoch kontinuierlich in Anlage an der Kolbenstange 40, sodass hier auch bei starkem Verschleiss kein Spiel auftritt und der erforderliche Minimalspalt des Labyrinthspaltes am Kompressorkolben während des Betriebes kontinuierlich aufrechterhalten wird. Diese Selbstnachstellung der Führungseinrichtung erfolgt bis zur vorgegebenen Verschleissgrenze, die durch den ringförmigen Absatz 34 festgelegt wird. Der federbelastete Druckring 30 liegt mit seinem ringförmigen Fortsatz 33, aufgrund der Kraftwirkung der Feder 32, ständig an der Stirnfläche 24 der Lagerelemente 20 an und schiebt diese bei auftretendem Verschleiss an der Lagerfläche 26 in axialer Richtung entlang der ersten konischen Ringfläche 14 der Stützringe 12, sodass die Lagerelemente 20 ständig spielfrei an der Kolbenstange 40 anliegen. Erst wenn der Absatz 34 des Druckringes 30 zur Anlage am Stützring 12 kommt, ist eine Nachstellung durch den Druckring 30 nicht mehr möglich und damit die vorgegebene Verschleissgrenze der Lagerelemente 20 erreicht. The self-adjusting operation of the device for axially guiding the piston rod 40 will now be explained. The initial state or the newly assembled state of the device for axially guiding the piston rod 40 is shown in FIG. 1 in the left half of the drawing. The bearing elements 20 are pressed against the support ring 12 by the pressure ring 30, which generates a force component acting in the axial direction. Due to the wedge effect of the conical surfaces 14 and 22 lying one on top of the other, the bearing elements 20 contact the piston rod 40 with their bearing surfaces 26 without play. This enables a play-free assembly of the guide device in the cylinder cover 42, since the material-related expansion from the starting condition to reaching the operating temperature is compensated for by the described force component of the pressure ring acting in the axial direction, in cooperation with the wedge effect of the conical ring surfaces 14 and 22. In the right half of the drawing, the condition of heavy wear is shown. Here, the bearing elements 20 are badly worn on their bearing surfaces 26. However, due to the force component of the pressure rings 30 acting in the axial direction, the wedge effect of the conical surfaces 22 and 14 and the free space between them, they remain in abutment against the piston rod 40, so that there is no play even with heavy wear and the required minimum gap of the labyrinth gap Compressor piston is maintained continuously during operation. This self-adjustment of the guide device takes place up to the predetermined wear limit, which is defined by the annular shoulder 34. Due to the force of the spring 32, the spring-loaded pressure ring 30 is in constant contact with the end face 24 of the bearing elements 20 and pushes it on the bearing face 26 in the axial direction along the first conical ring face 14 of the support rings 12 when wear occurs. so that the bearing elements 20 are constantly in contact with the piston rod 40 without play. Only when the shoulder 34 of the pressure ring 30 comes to rest on the support ring 12 is an adjustment by the pressure ring 30 no longer possible and thus the predetermined wear limit of the bearing elements 20 is reached.
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