DE10358548A1

DE10358548A1 - Ein Dicht- und ein Führungselement für einen Kolben oder einen Schieber in einer nicht mit Öl geschmierten und mit einem gasförmigen Arbeitsmittel betriebenen Hubkolben-Maschine

Info

Publication number: DE10358548A1
Application number: DE10358548A
Authority: DE
Inventors: Manfred Fink; Helmut Knappe; Thorsten Voss
Original assignee: SPILLING EN SYSTEME GmbH; SPILLING ENERGIE SYSTEME GmbH
Current assignee: SPILLING EN SYSTEME GmbH; SPILLING ENERGIE SYSTEME GmbH
Priority date: 2003-01-22
Filing date: 2003-12-15
Publication date: 2004-08-12

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Dicht- und ein Führungselement für einen Kolben oder einen Schieber in einer nicht mit Öl geschmierten und mit einem gasförmigen Arbeitsmittel betriebenen Hubkolben-Maschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wobei es sich bei dem Arbeitsmittel um Gas, insbesondere Erdgas, oder Wasserdampf (Heißdampf, Sattdampf oder Nassdampf) auf hohem Druck- und Temperaturniveau handelt und die Hubkolben-Maschine als Kraft- oder Arbeitsmaschine arbeitet. Das Dicht- und Führungselement stellen unter Verzicht auf die Vorspannkraft von Federn ein Anliegen der Kolben- und Schieberringe an der jeweils zugeordneten Lauffläche sicher und sie reduzieren dabei die jeweils resultierenden Anpresskräfte und damit die jeweiligen Reibleistungen und Bauteiltemperaturen auf ein zulässiges Maß. Dies wird dadurch erreicht, dass jedem Kolbenring/Schieberring (1) wenigstens ein Verbindungsweg (1.1b; s¶a¶, s¶1¶, 1.1d) zugeordnet ist, der eine Hochdruckseite (HD) des jeweiligen Kolbenrings/Schieberrings (1) mit der jeweiligen Gleitfläche (1e; 1.1e) verbindet und in dieser ausmündet, und dass jeder Kolbenführungsring/Schieberführungsring (3; 5) an seiner Gleitfläche (3e; 3.1e; 5e; 5.1e) wenigstens eine in axialer Richtung arbeitsmitteldurchlässige Ausnehmung (3.2; 5.2, 5.3) aufweist (Figur 3).

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft ein Dicht- und ein Führungselement für einen Kolben oder einen Schieber in einer nicht mit Öl geschmierten und mit einem gasförmigen Arbeitsmittel betriebenen Hubkolben-Maschine, wobei es sich bei dem Arbeitsmittel um Gas, insbesondere Ergas, oder Wasserdampf (Heißdampf, Sattdampf oder Nassdampf) auf hohem Druck- und Temperaturniveau handelt und die Hubkolben-Maschine als Kraft- oder Arbeitsmaschine arbeitet, mit dem Dichtelement, das als ein ein- oder mehrteiliger Kolbenring bzw. Schieberring ausgebildet ist, und dem Führungselement, das als ein ein- oder mehrteiliger Kolbenführungsring bzw. Schieberführungsring ausgebildet ist, die jeweils in einer zugeordneten Kolbenringnut bzw. Schieberringnut eines Kolbens bzw. Schiebers mit einem jeweiligen axialen Nutspiel und einem jeweiligen Nutgrundspiel Aufnahme finden, und die jeweils über ihre als Gleitfläche fungierende äußere Mantelfläche mit einer zugeordneten, gemeinsamen Lauffläche einer Laufbuchse zusammenwirken.
Die vorliegende Erfindung befasst sich u.a. mit der Geometrie einer Gleitfläche eines ersten Gleitelementes (Dichtelement) einer Gleitpaarung zwischen Kolben bzw. Schieber einerseits und der jeweils zugeordneten Laufbuchse andererseits, und zwar bei solchen Hubkolben-Maschinen, die in der sog. Trockenlauftechnik konzipiert sind. Im Kolben bzw. Schieber sind zum einen die Dichtelemente angeordnet, die sog. Kolben- bzw. Schieberringe, die in Mehrfachanordnung hintereinander die Abdichtung übernehmen. Zum andern ist zur Führung des Kolbens bzw. des Schiebers innerhalb der zugeordneten Laufbuchse wenigstens ein Führungselement, ein Kolben- bzw. Schieberführungsring, vorgesehen.
STAND DER TECHNIK
Bei Hubkolben-Maschinen, die in der sog. Trockenlauftechnik konzipiert sind, werden Gleitpaarungen, die unter dem Arbeitsmittel Dampf oder Gas arbeiten, aus Materialpaarungen hergestellt, die selbstschmierende Eigenschaften besitzen. Die in Rede stehenden Gleitpaarungen sind der durch das gasförmige Arbeitsmittel beaufschlagte Kolben in seiner Zylinderlaufbuchse, der den gasförmigen Arbeitsmittelstrom in den und aus dem Zylinder steuernde Schieber in seiner zugeordneten Laufbuchse, wenn es sich um eine schiebergesteuerte Hubkolben-Maschine handelt, sowie die Abdichtung der Kolben- und Schieberstange in der jeweils zugeordneten Stopfbuchse.
Die Laufbuchsen bestehen aus einem verschleißfesten metallischen Werkstoff (z.B. Schleuderguss (GGZ), Stahl oder Ni-Resist Gusseisen), wobei die Lauffläche eine möglichst geringe Oberflächenrauhigkeit und eine große Oberflächenhärte, beispielsweise erzeugt durch spezielle Oberflächenhärtungsverfahren oder Beschichtungen, aufweisen muss. Die Kolben- und Schieberringe sowie die Kolben- und Schieberführungsringe bestehen aus nichtmetallischen Materialien, im Anwendungsfall für höhere Temperaturen sind dies darüber hinaus relativ spröde Materialien, wobei für mit Gas (z.B. Erdgas) beaufschlagte Hubkolben-Maschinen (z. B. Kolbenmotore oder Kolbenkompressoren) vorzugsweise Polytetrafluorethylene (PTFE) und für mit Dampf auf hohem Druck- und Temperaturniveau beaufschlagte Hubkolben-Maschinen vorzugsweise Kohlenstoff-Graphit-Werkstoffe Anwendung finden.

Gleitpaarungen der vorg. Art für von einem gasförmigen Arbeitsmittel, vorrangig Wasserdampf (Heiß-, Satt-, Nassdampf) oder Gas, insbesondere Erdgas, mit hohem Druck- und Temperaturniveau beaufschlagte Dicht- und Führungselemente der einleitend beschriebenen Gattung sind in der EP 1 045 128 B1 oder der DE 101 28 055 C2 beschrieben. Der DE 101 28 055 C2 ist beispielsweise zu entnehmen, dass ein erstes Gleitelement (Kolben-/Schieberring; Kolben-/Schieberführungsring) der Gleitpaarung aus einem im Wesentlichen aus Kohlenstoff bestehende Werkstoff besteht, dessen Poren mit Metall, einer Metalllegierung, einer Keramik, einem Kunstharz und/oder Pech, das karbonisiert wurde, gefüllt sind, und dass der Werkstoff des zweiten Gleitelementes der Gleitpaarung (Laufbuchse) ein eisenhaltiger, vorzugsweise mit Chrom und/oder Nickel legierter hoch warmfester Werkstoff ist, der mindestens an der Gleitfläche mit einer Nitrierschicht versehen ist.

Kolben- und Schieberringe sowie Kolben- und Schieberführungsringe der eingangs beschriebenen Art werden entweder ein- oder mehrteilig ausgeführt. Nachfolgend beschränkt sich die Darlegung, der Einfachheit halber, überwiegend auf die Verhältnisse an Kolben und somit auf Kolbenringe und Kolbenführungsringe. Die Sachverhalte sind jedoch sinngemäß auf die Verhältnisse bei Schiebern zu übertragen. Bei größerer radialer Dicke erfordert die einteilige Ausführung dann sog. gebaute Kolben, die aus Teilen derart gefügt sind, dass der Einbau der spröden und damit kaum elastisch aufweitbaren Kolben- und Kolbenführungsringe in die zugeordnete Nut möglich wird. Gebaute Kolben sind konstruktiv aufwendig und damit teuer.

Kolben- und Kolbenführungsringe größerer radialer Dicke können in einstückig ausgebildeten und damit kostengünstigen Kolben dann Verwendung finden, wenn die Ringe mehrteilige, beispielsweise aufgeteilt in mehrere Segmente, ausgeführt sind. Da die segmentierten Kolbenringe in ihrer Nut keine eigene Vorspannung besitzen, werden sie in der Regel mit Federn hinterlegt, um dadurch zwecks einer hinreichenden Abdichtung an die zugeordnete Lauffläche (Buchsenwand) gedrückt zu werden. Bei derartigen segmentierten, mit Federn auf die Laufflächen vorgespannten Kolbenringen ist bereits beim Anfahren die notwendige Anpressung und damit eine hinreichende Dichtwirkung sichergestellt. Die Anordnung von Federn, die einerseits in das in der Regel spröde Material der Kolbenringe eingreifen, ist einerseits konstruktiv aufwendig und damit teuer, andererseits stellt diese Anordnung ein großes Schadensrisiko dar, falls die Ringe im Betrieb Schaden nehmen, die Federn ggf. freigesetzt werden und zwischen Kolben bzw. Schieber und der zugeordneten Laufbuchse geraten.

Es ist in diesem Zusammenhang bekannt, dass die Kolben- und Führungsringe, unabhängig davon, ob sie einteilig und geschlitzt oder mehrteilig und segmentiert ausgestaltet und ggf. über Federn auf die Lauffläche vorgespannt sind, generell auch durch die an den Ringen auftretende Druckverteilung des gasförmigen Arbeitsmittels an die Buchsenoberfläche gedrückt werden. Ein derartiger Effekt erklärt sich aus der Tatsache (s. hierzu einen segmentierten Kolbenring, wie er im Stand der Technik bekannt und in den 1a bis 1e dargestellt ist), dass ein gasförmiges Arbeitsmittel, ausgehend von einer Hochdruckseite HD (1e), vorzugsweise einseitig über ein axiales Nutspiel s_a und erste Stoßspiele s_SK (1a) an Stößen 2 der Kolbenring-Segmente 1.1* in eine Kolbenringnut 7 eines Kolbens 10 eindringt und in einen durch ein erstes Nutgrundspiel s₁ gebildeten zweiten Ringraum 7b aufgrund des sich dort im wesentlichen konstant ausbildenden statischen Druckes auf das jeweilige Kolbenring-Segment 1.1* eines Kolbenringes 1* eine auf eine Lauffläche 9 gerichtete erste resultierende radiale Anpresskraft F_r* ausübt.

Die Ausbildung einer konstanten Druckverteilung in axialer Richtung erklärt sich daraus, dass dieser zweite Ringraum 7b nicht nennenswert durchströmt wird, da der Kolbenring 1* auf der der Hochdruckseite HD abgewandten Flanke der Kolbenringnut 7 anliegt. Zwischen der Lauffläche 9 und der zugeordneten Gleitfläche 1e* bzw. 1.1e* des Kolbenringes 1* ist, in axialer Richtung gesehen, eine Druckdifferenz wirksam, die dort, da diese Gleitpaarung nur begrenzt dicht ist, und in den Stößen 2 zu einer Spaltströmung und somit zu einem Durchtritt des gasförmigen Arbeitsmittels führt. Die Spaltströmung und auch die Druckverluste durch diese Spaltströmung speisen sich aus dem statischen Druck im gasförmigen Arbeitsmittel, die letzteren in diesem Bereich gegenüber jenem im Bereich des zweiten Ringraumes 7b reduzieren. Der statische Druck im gasförmigen Arbeitsmittel bestimmt sich aus dem wechselnden Druck auf der Hochdruckseite HD bei Kolben und durch im Wesentlichen konstanten Druck auf der Hochdruckseite bei Schiebern. Aus der Verteilung des statischen Druckes, über das gesamte Kolbenring-Segment 1.1* gesehen, ergibt sich damit die vorstehend erwähnte erste resultierende radiale Anpresskraft F_r*.

Ähnliche Verhältnisse ergeben sich an den Kolbenringen in Schiebern und den Führungsringen in Kolben oder Schiebern, sodass generell die Feststellung ge troffen werden kann, dass der Druck des gasförmigen Arbeitsmittels, das es abzudichten gilt, Kolben und Führungsringe mehr oder weniger stark auf die zugeordnete Lauffläche drückt und somit, zumindest bei Kolbenringen, die erwünschte Abdichtung an diesen Ringen unterstützt.

Das an sich wünschenswerte Andrücken der Kolbenring-Segmente durch die vorstehend dargelegte Druckverteilung führt jedoch gleichzeitig zu einer erhöhten Belastung der Gleitflächen der Gleitpaarungen, da die Flächenpressung und die damit einhergehende Reibungswärmeentwicklung hoch sind. Diese Tatsache ist insbesondere dann von Bedeutung und von Nachteil, wenn die Arbeitsmittel-Temperatur nahe an der zulässigen Einsatztemperatur der Werkstoffe von Kolbenringen und – soweit vorhanden – von Schieberringen sowie der zugeordneten Laufbuchsen liegt. Ein großer reibungsbedingter Temperaturanstieg hätte dann zur Folge, dass solche Werkstoffe versagen, die ansonsten für die Arbeitsmitteltemperatur geeignet wären.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei Dicht- und Führungselementen der gattungsgemäßen Art und unter Verzicht auf die Vorspannkraft von Federn ein Anliegen der Kolben- und Schieberringe an der jeweils zugeordneten Lauffläche sicherzustellen und dabei die jeweils resultierenden Anpresskräfte und damit die jeweiligen Reibleistungen und Bauteiltemperaturen auf ein zulässiges Maß zu reduzieren.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Diese Aufgabe wird durch ein Dicht- und ein Führungselement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der vorgeschlagenen Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. In den Unteransprüchen 18 bis 23 wird Schutz beansprucht für die bevorzugte Verwendung eines erfindungsgemäßen Dicht- und Führungselementes.

Die grundsätzliche Lösung besteht im Wesentlichen darin, dass die Gleitfläche des jeweiligen Kolben- oder Schieberringes über wenigstens einen Verbindungs weg mit der Hochdruckseite dieses Ringes verbunden ist, wobei der jeweilige Verbindungsweg in der Gleitfläche ausmündet, und dass jeder Kolben- oder Schieberführungsring an seiner Gleitfläche wenigstens eine in axialer Richtung arbeitsmitteldurchlässige Ausnehmung aufweist.

Die geschieht gemäß einer bevorzugten Ausführungsform dadurch, dass der Kolben- oder Schieberring an seiner jeweiligen Gleitfläche mit wenigstens einer Entlastungsnut versehen ist, die, in radialer Richtung gesehen, von außen in die Gleitfläche eingreift und sich in den (die) Verbindungswege) verzweigt. Die Entlastungsnut ist, gemäß einem weiteren Vorschlag, entweder umlaufend und durchgehend ausgeführt, wenn es sich um einen einteiligen Kolben- oder Schieberring handelt, oder sie ist, wenn es sich um einen segmentierten Ring handelt, beiderseits jedes Segmentes jeweils in einem bestimmten Abstand vor dem jeweiligen Stoß der Segemente endend, ausgeführt.

Die Entlastungsnut ist gemäß einer ersten Ausführungsform zur Hochdruckseite des jeweiligen Ringes durch wenigstens eine Anschlussnut geöffnet, die, in radialer Richtung gesehen, von außen in die Gleitfläche eingreift. Die Anschlussnut ist sind im Wesentlichen axial orientiert. Die Entlastungsnut wird, im Querschnitt gesehen, vorzugsweise kreisförmig, bevorzugt halbkreisförmig, ausgeführt. Auch die Anschlussnuten erhalten bevorzugt eine diesbezügliche Ausgestaltung, wenn sie in der Lauffläche angeordnet sind.

Gemäß einer weiteren Ausführung wird vorgeschlagen, den Verbindungsweg zwischen der Gleitfläche und der Hochdruckseite mittels Anschlussbohrungen zu realisieren, die im Wesentlichen in radialer Richtung durch den jeweiligen Ring hindurchgeführt sind und im Bereich des Nutgrundes der Kolben- bzw. Schieberringnut enden. Ein durch das Nutgrundspiel gebildeter zweiter Ringraum ist mit einem durch das axiale Nutspiel gebildeten ersten Ringraum verbunden, wobei letzterer in die Hochdruckseite des Kolben- oder Schieberrings ausmündet. Im Bereich der Gleitfläche mündet die Anschlussbohrung entweder unmittelbar aus, wenn keine Entlastungsnut vorgesehen ist, oder sie enden in der Entlastungsnut.

Die Ausgestaltung des Kolbens oder des Schiebers vereinfacht sich entscheidend, wenn er einstückig ausgeführt wird. Um dies zu erreichen wird der Kolbenring oder Schieberring aus wenigstens drei Kolben- oder Schieberring-Segmenten gebildet, wobei jedes Segment wenigstens einen Verbindungsweg aufweist. Dabei ist in der Gleitfläche jedes Segmentes eine in dessen Umfangsrichtung orientierte Entlastungsnut vorgesehen, die, in radialer Richtung gesehen, von außen in die Gleitfläche eingreift und sich in den bzw. die Verbindungswege) verzweigt. In diesem Zusammenhang hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn jede Entlastungsnut in ihrem jeweiligen Endbereich an einen zugeordneten Verbindungsweg angeschlossen ist.

Undichtigkeiten an den Kolben- und Schieberringen setzten den/die zwischen diesen Ringen vorgesehenen Führungsring/e einer Druckdifferenz aus, die zu einer resultierenden zusätzlichen Anpresskraft auf den/die Führungsring/e führt. Dadurch übernimmt dann der jeweilige Führungsring Dichtfunktion und die zusätzliche Anpresskraft erhöht seinen Verschleiß in Folge erhöhter Reibleistung und Bauteiltemperatur. Da der Führungsring einen geringeren Verschleiß als der Kolben- oder Schieberring aufweisen soll, ist der vorstehend Effekt zu vermeiden.

Dies gelingt gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung dadurch, dass der Führungsring oder das jeweilige Führungsring-Segment an seinem äußeren Umfang durch die sich über seine gesamte axiale Breite erstreckende Ausnehmung, die radial in den Ring bzw. das Segment eingreift, gezielt undicht gemacht wird. Dadurch kann, in axialer Richtung gesehen, am Führungsring keine Druckdifferenz anstehen, und der eingangs in Bezug auf den Koben- bzw. Schieberring beschriebene Mechanismus im Hinblick auf das Entstehen einer resultierenden radialen Anpresskraft kann am Führungsring nunmehr nicht wirksam werden.

Bei einem segmentierten Führungsring gestaltet sich die Realisierung der Ausnehmung dann besonders einfach, wenn jedes der Segmente an den jeweiligen Enden eine in den äußeren Umfang eingreifende Anschrägung besitzt, wobei zwei benachbarte Anschrägungen die Ausnehmung bilden, die jeweils die gesamte axiale Breite der Segmente überbrücken. Die diesbezügliche Ausführung gestaltet sich besonders einfach, wenn die Anschrägungen jeweils ebenflächig ausgeführt sind.

Bei einem Kolben oder Schieber mit einem großen Außendurchmesser hat es sich bezüglich des angestrebten Druckausgleichs als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn jedes der Segmente im Bereich zwischen seinen Enden eine in den äußeren Umfang eingreifende zweite Ausnehmung besitzt, die jeweils die gesamte axiale Breite des Segmentes überbrückt. Dabei wird die zweite Ausnehmung in einer zur Längsachse des Kolbens oder Schiebers senkrechten Ebene bevorzugt kreisförmig ausgeführt.

Um schon beim Anfahren der Hubkolben-Maschine die Kolben- und Schieberringe in der Nähe ihrer Lauffläche sicher zu positionieren, ist gemäß einem weiteren Vorschlag vorgesehen, dem jeweiligen Kolben- oder Schieberring ein geringfügig größeres Nutgrundspiel als dem zugeordneten Kolben- bzw. Schieberführungsring zu gegen.

Die vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Maßnahmen lösen die eingangs gestellte Aufgabe und sie erhöhen darüber hinaus auch den mechanischen Wirkungsgrad der Hubkolben-Maschine.

Ausgehend von einem Kolbenring mit den aus den 1a bis 1c ersichtlichen bekannten Merkmalen, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist, sind Ausführungsbeispiele mit den Merkmalen der Erfindung in weiteren Figuren der Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Es zeigen
2a in der Draufsicht eine erste Ausführungsform eines in drei Segmente aufgeteilten Kolbenrings gemäß der Erfindung;
2b einen Querschnitt durch den Kolbenring gemäß 2a;
2c in vergrößerter Darstellung einen in 2b als Einzelheit „Y1" gekennzeichneten Bereich des Kolbenringes gemäß den 2a und 2b in einer erfindungsgemäßen zweiten Ausführungsform, soweit es den Verbindungsweg zwischen Nutgrund und Lauffläche des Kolbenrings betrifft;
2d in vergrößerter Darstellung einen in 2b als Einzelheit „Y2" gekennzeichneten Bereich des Kolbenringes gemäß den 2a und 2b in einer erfindungsgemäßen dritten Ausführungsform, soweit es den Verbindungsweg zwischen Nutgrund und Lauffläche des Kolbenrings betrifft;
3 einen Mittelschnitt durch einen Kolben in Verbindung mit einer Kolbenstange, wobei der Kolben beispielhaft mit zwei Kolbenringen in der erfindungsgemäßen ersten Ausführungsform gemäß den 2a und 2b sowie mit einem zwischen den beiden Kolbenringen angeordneten Kolbenführungsring gemäß der Erfindung ausgestattet ist;
3a in vergrößerter Darstellung einen in 3 als Einzelheit „Z1" gekennzeichneten Bereich des Kolbenführungsringes;
3b in gleichfalls vergrößerter Darstellung einen in 3 als Einzelheit „Z2" gekennzeichneten Bereich des Kolbenringes in der erfindungsgemäßen ersten Ausführungsform, soweit es den Verbindungsweg zwischen Nutgrund und Lauffläche des Kolbenrings betrifft;
4a in der Draufsicht eine erste Ausgestaltung eines in drei Segmente aufgeteilten ersten Kolbenführungsrings gemäß der Erfindung;
4b einen Querschnitt durch den ersten Kolbenführungsring gemäß 4a;
5a gleichfalls in der Draufsicht eine für größere Kolbendurchmesser zur Anwendung kommende zweite Ausgestaltung eines in drei Segmente aufgeteilten zweiten Kolbenführungsrings gemäß der Erfindung und
5b einen Querschnitt durch den zweiten Kolbenführungsring gemäß 5.

*: mit Stern (*) gekennzeichnete Bezeichnungen beziehen sich auf
: eine Ausführung nach dem Stand der Technik
1: Kolbenring/Schieberring
1e: erste Gleitfläche (Kolbenring/Schieberring einteilig)
1.1: Kolbenring-Segment/Schieberring-Segment
1.1a: Entlastungsnut
1.1b: Anschlussnut
1.1c: Nutende
1.1d: Anschlussbohrung
1.1e: zweite Gleitfläche (Kolbenring/Schieberring mehrteilig segmentiert)
1*: Kolbenring/Schieberring (Stand der Technik)
1e*: Gleitfläche (Kolbenring/Schieberring einteilig; Stand der Technik)
1.1e*: Gleitfläche (Kolbenring/Schieberring mehrteilig segmentiert;
: Stand der Technik)
1.1*: Kolbenring-Segment/Schieberring-Segment (Stand der Technik)
2: Stoß des Kolbenring-Segmentes/Schieberring-Segmentes
3: erster Kolbenführungsring/Schieberführungsring
3e: dritte Gleitfläche (erster Kolben-/Schieberführungsring einteilig)
3.1: erstes Kolbenführungsring-Segment/Schieberführungsring-Segment
3.1e: vierte Gleitfläche (erster Kolbenführungsring/Schieberführungsring
: mehrteilig segmentiert)
3.2: Ausnehmung (ebenflächige Anschrägung)
4: erster Stoß
5: zweiter Kolbenführungsring/Schieberführungsring
5e: fünfte Gleitfläche (zweiter Kolbenführungsring/
: Schieberführungsring einteilig)
5.1: zweites Kolbenführungsring-Segment/
: Schieberführungsring-Segment
5.1e: sechste Gleitfläche (Kolbenführungsring/Schieberführungsring
: mehrteilig segmentiert)
5.2: erste Ausnehmung (ebenflächige Anschrägung)
5.3: zweite Ausnehmung (kreisförmige)
6: zweiter Stoß
7: Kolbenringnut/Schieberringnut
7a: erster Ringraum
7b: zweiter Ringraum
8: Kolbenführungsringnut/Schieberführungsringnut
8a: dritter Ringraum
8b: vierter Ringraum
9: Lauffläche (der Laufbuchse)
10: Kolben oder Schieber
11: Kolben- oder Schieberstange
a: Abstand zum Stoß
b: axiale Breite (Kolbenring)
b1: erste axiale Breite (erster Kolbenführungsring/Schieberführungsring)
b2: zweite axiale Breite (zweiter Kolbenführungsring/
: Schieberführungsring)
d: Zylinderdurchmesser
s₁: erstes Nutgrundspiel (Kolbenringnut)
s₂: zweites Nutgrundspiel (Kolbenführungsringnut)
s_a: axiales Nutspiel
s_SF: zweites Stoßspiel zwischen den Kolbenführungsring-Segmenten/
: Schieberführungsring-Segmenten
s_SK: erstes Stoßspiel zwischen den Kolbenring-Segmentenl
: Schieberring-Segmenten
t: radiale Breite (Kolbenring/Schieberring)
t1: erste radiale Breite (erster Kolbenführungsring/
: Schieberführungsring)
t2: zweite radiale Breite (zweiter Kolbenführungsring/
: Schieberführungsring)
D_a: Außendurchmesser (Kolbenring oder Kolbenführungsring/
: Schieberring oder Schieberführungsring)
F_r: zweite resultierende radiale Anpresskraft
F_r*: erste resultierende radiale Anpresskraft (Stand der Technik)
HD: Hochdruckseite
S_SF: gesamtes zweites Stoßspiel (Kolbenführungsring/
: Schieberführungsring)
S_Sk: gesamtes erstes Stoßspiel (Kolben/Schieber)

Ein in drei Kolbenring-Segmente 1.1* geteilter Kolbenring 1* gemäß den 1a bis 1c, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist, wurde vorstehend im Zusammenhang mit dem Entstehen einer ersten resultierenden radialen Anpresskraft F_r* bereits beschrieben. Er weist eine axiale Breite b und eine radiale Breite t auf und vertilgt im Einbauzustand bei einem Außendurchmesser D_a an seinem jeweiligen Stoß 2 zwischen den Kolbenring-Segmenten 1.1* über ein erstes Stoßspiel s_SK. Über die drei Stöße 2 gesehen ergibt sich ein gesamtes erstes Stoßspiel S_SK, das sich im Ausführungsbeispiel aus S_SK = 3s_SK zusammensetzt und mit 0,5 bis 1,5 % vom Außendurchmesser D_a bemessen wird. Die axiale Breite einer Kolbenringnut 7 in einem Kolben 10 ist um ein axiales Nutspiel s_a größer als die axiale Breite b des Kolbenrings 1* ausgeführt, sodass eine Hochdruckseite HD über den aus dem axialen Nutspiel s_a resultierenden Ringspalt, der einen ersten Ringraum 7a bildet, mit einem zweiten Ringraum 7b, der durch ein erstes Nutgrundspiel s₁ zwischen dem Kolbenring 1* und dem Nutgrund der Kolbenringnut 7 gebildet wird, in Verbindung steht. Falls der Kolbenring 1* (einteilig) oder 1.1* (mehrteilig segmentiert) mit seiner Gleitfläche 1e* bzw. 1.1e* an einer zugeordneten Lauffläche 9 einer nicht näher bezeichneten Laufbuchse anliegt, weist der zweite Ringraum 7b die dem ersten Nutgrundspiel s₁ entsprechende radiale Erstreckung auf.
Ein Kolbenring 1 in einer erfindungsgemäßen ersten Ausführungsform ( 2a und 2b und 3 und 3b) ist in drei Kolbenring-Segmente 1.1 aufgeteilt, die an jedem der drei Stöße 2, wenn sie auf den Außendurchmesser D_a gefügt sind, das erste Stoßspiel s_SK aufweisen. Jeder der drei Kolbenring-Segmente 1.1 ist an seiner äußeren Mantelfläche, einer zweiten Gleitfläche 1.1e mit der Lauffläche 9 der zugeordneten und nicht näher bezeichneten Laufbuchse, mit einer in Umfangsrichtung sich erstreckenden Entlastungsnut 1.1a versehen, die vorzugsweise halbkreisförmige Kontur (3b) aufweist und deren jeweiliges Nutende 1.1c mit einem Abstand a zum Stoß 2 endet. Die Entlastungsnut 1.1a ist jeweils über wenigstens eine Anschlussnut 1.1b, die in der Regel im Bereich des Nutendes 1.1c angeordnet ist, mit der in Frage kommenden Hochdruckseite HD des doppeltwirkenden Kolbens 10 verbunden, wobei die Anschlussnuten 1.1b, in gleicher Weise wie die Entlastungsnut 1.1a, in der äußeren Mantelfläche des Kolbenring-Segmentes 1.1 angeordnet sind. Im Ausführungsbeispiel weist die Anschlussnut 1.1b eine halbkreisförmige Kontur auf. Bei Beaufschlagung der Kolbenring-Anordnung mit einem gasförmigen Arbeitsmittel wird sich auf Grund der eingangs beschriebenen Druckverteilung eine zweite resultierende radiale Anpresskraft F_r (s. 3b) in Richtung zur Lauffläche 9 hin einstellen, die in Folge der druckentlastenden Maßnahmen durch Anordnung der Entlastungsnut 1.1a in Verbindung mit der Anschlussnut 1.1b geringer ist als die erste resultierende Anpresskraft F_r* beim nicht entlasteten Kolbenring 1* gemäß den 1a bis 1e. Bei einem einteiligen Kolbenring/Schieberring 1 ist an der äußeren Mantelfläche eine erste Gleitfläche 1e ausgebildet.
Die Verbindung zwischen dem rückwärtigen zweiten Ringraum 7b und der äußeren Mantelfläche des Kolbenring-Segmentes 1.1 kann auch über eine Anschlussbohrung 1.1d (2d) vorgesehen werden, die jeweils in der Entlastungsnut 1.1a ausmündet. Die einfachste Ausführung zur Entlastung des jeweiligen Kolbenring-Segmentes 1.1 ergibt sich dann, wenn auf die Entlastungsnut 1.1a verzichtet und lediglich Anschlussbohrungen 1.1d zwischen dem zweiten Ringraum 7b und der äußeren Mantelfläche der Kolbenring-Segmente 1.1 vorgesehen werden (2c).
Der mit einer Kolbenstange 11 verbundene Kolben 10 (3) besitzt zwischen den beiden Kolbenringen 1 einen ersten Kolbenführungsring 3 (4a und 4b) bzw. bei größeren Zylinderdurchmessern d einen zweiten Kolbenführungsring 5 (5a und 5b). Der Außendurchmesser des Kolbens 10 ist kleiner als der Innendurchmesser der Laufbuchse ausgeführt, sodass der Kolben die Laufbuchse nicht berührt. Der erste Kolbenführungsring 3 besteht im Ausführungsbeispiel, ebenso wie der zweite Kolbenführungsring 5 (4a bis 5b), jeweils aus drei ersten Kolbenführungsring-Segmenten 3.1 bzw. drei zweiten Kolbenführungsring-Segmenten 5.1. Zwischen den Kolbenführungsring-Segmenten 3.1 wird an einem jeweiligen ersten Stoß 4 jeweils ein zweites Stoßspiel s_SF gebildet, wobei die drei Stoßspiele s_SF zusammen ein gesamtes zweites Stoßspiel S_SF ergeben, welches sich mit 1 bis 3 % vom Außendurchmesser D_a bemisst. Der erste Kolbenführungsring 3 weist eine erste axiale Breite b1 und eine erste radiale Breite t1 auf und beiderseits über den jeweiligen ersten Stoß 4 hinweg sind die Enden der Kolbenführungsring-Segmente 3.1 derart angeschrägt, vorzugsweise ebenflächig, dass sich im gefügten Zustand an jedem ersten Stoß 4 eine Ausnehmung 3.2 ergibt, die sich durchgängig über die gesamte erste axiale Breite b1 erstreckt (s. hierzu auch 3a). Die äußere Mantelfläche der Kolben-/Schieberführungsring-Segmente 3.1 und 5.1 ist als vierte bzw. sechste Gleitfläche 3.1e, 5.1e ausgebildet; bei einteiliger Ausführung der Kolben-/Schieberführungsringe 3, 5 ist deren äußere Mantelfläche als dritte bzw. fünfte Gleitfläche 3e, 5e ausgeführt.
Die zweiten Kolbenführungsring-Segmente 5.1 bilden zwischen sich jeweils einen zweiten Stoß 6 (5a und 5b), für den hinsichtlich des zweiten Stoßspiels s_SF die gleichen Bemessungskriterien wie für die Kolbenführungs-Segmente 3.1 gelten. Über den jeweiligen zweiten Stoß 6 hinweg erstreckt sich, in gleicher Weise, wie vorstehend beschrieben, eine erste Ausnehmung 5.2, die vorzugsweise durch ein Paar ebenflächige Anschrägungen im Bereich der Enden der Kolbenführungsring-Segmente 5.1 ausgeführt ist. Da der zweite Kolbenführungsring 5 für größere Außendurchmesser D_a vorgesehen ist, ergeben sich für die einzelnen zweiten Kolbenführungsring-Segmente 5.1 größere Umfangslängen, sodass es von Vorteil sein kann, wenn im Umfangsbereich zwischen den zweiten Stößen 6 wenigstens eine zusätzliche zweite Ausnehmung 5.3 vorgesehen wird, die vorzugsweise kreisförmig ausgebildet ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind im jeweiligen Kolbenführungsring-Segment 5.1 jeweils zwei dieser zweiten Aus nehmungen 5.3 so angeordnet, dass die ersten und die zweiten Ausnehmungen 5.2, 5.3, über den Umfang des Kolbenführungsringes 5 gesehen, annähernd gleichmäßig verteilt sind. Der zweite Kolbenführungsring 5 besitzt eine zweite axiale Breite b2 und eine zweite radiale Breite t2.
Der Einbauzustand des ersten oder des zweiten Kolbenführungsringes 3 bzw. 5 ist aus 3a zu ersehen. Wenn der Kolbenführungsring 3, 5 mit seiner vierten bzw. sechsten Gleichfläche 3.1e, 5.1e an der Lauffläche 9 anliegt, dann stellen die Ausnehmungen 3.2 bzw. 5.2 und 5.3 in diesem Bereich eine durchgängige Verbindung her zwischen den Räumen beiderseits des Ringes, die den Aufbau einer Druckdifferenz und damit das Entstehen einer nennenswerten radialen Anpresskraft am Kolbenführungsring 3 bzw. 5 verhindern. Zwischen dem Kolbenführungsring 3 bzw. 5 und einer zugeordneten Kolbenführungsringnut 8 wird auf Grund eines dort vorgesehenen zweiten Nutgrundspieles s₂ ein vierter Ringraum 8b gebildet, der über einen dritten Ringraum 8a, gebildet durch das axiale Nutspiel s_a, mit der Hochdruckseite HD in Verbindung steht. Da sowohl der vierte Ringraum 8b als auch die Ausnehmungen 3.1 bzw. 5.2 und 5.3 nicht nennenswert durchströmt werden, bleibt der Kolbenführungsring 3 bzw. 5 weitgehend frei von einer resultierenden radialen Anpresskraft, die demgegenüber, wie vorstehend beschrieben, an dem Kolben- oder Schieberring 1 auftritt und die zu reduzieren sich die vorliegende Erfindung mit Erfolg zum Ziel gesetzt hat.

Claims

Ein Dicht- und ein Führungselement für einen Kolben oder einen Schieber in einer nicht mit Öl geschmierten und mit einem gasförmigen Arbeitsmittel betriebenen Hubkolben-Maschine, – mit dem Dichtelement, das als ein ein- oder mehrteiliger Kolbenring/Schieberring (1) ausgebildet ist, – und dem Führungselement, das als ein ein- oder mehrteiliger Kolbenführungsring/Schieberführungsring (3; 5) ausgebildet ist, – die jeweils in einer zugeordneten Kolbenringnut/Schieberringnut (7) eines Kolbens/Schiebers (10) mit einem jeweiligen axialen Nutspiel (s_a) und einem jeweiligen Nutgrundspiel (s₁; s₂) Aufnahme finden, – und die jeweils über ihre als Gleitfläche (1e; 1.1e; 3e; 3.1e; 5e; 5.1e) fungierende äußere Mantelfläche mit einer zugeordneten, gemeinsamen Lauffläche (9) einer Laufbuchse zusammenwirken, dadurch gekennzeichnet, – dass jedem Kolbenring/Schieberring (1) wenigstens ein Verbindungsweg (1.1b; s_a, s₁, 1.1d) zugeordnet ist, der eine Hochdruckseite (HD) des jeweiligen Kolbenrings/Schieberrings (1) mit der jeweiligen Gleitfläche (1e; 1.1 e) verbindet und in dieser ausmündet, – und dass jeder Kolbenführungsring/Schieberführungsring (3; 5) an seiner Gleitfläche (3e; 3.1e; 5e; 5.1e) wenigstens eine in axialer Richtung arbeitsmitteldurchlässige Ausnehmung (3.2; 5.2, 5.3) aufweist.
Ein Dicht- und ein Führungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsweg (1.1b) aus wenigstens einer Anschlussnut (1.1b) gebildet wird, die, in radialer Richtung gesehen, von außen in die Gleitfläche (1e; 1.1e) eingreift.
Ein Dicht- und ein Führungselement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlussnut(en) (1.1b) im Wesentlichen axial orientiert sind.
Ein Dicht- und ein Führungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsweg (s_a, s₁, 1.1d) aus einem durch das axiale Nutspiel (s_a) gebildeten ersten Ringraum (7a), einem sich anschließenden, durch das erste Nutgrundspiel (s₁) gebildeten zweiten Ringraum (7b) und wenigstens einer den Kolbenring/Schieberring (1) im Wesentlichen in radialer Richtung durchdringende Anschlussbohrung (1.1d) gebildet wird.
Ein Dicht- und ein Führungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der Gleitfläche (1e; 1.1e) eine in deren Umfangsrichtung orientierte Entlastungsnut (1.1a) vorgesehen ist, die, in radialer Richtung gesehen, von außen in die Gleitfläche (1e; 1.1e) eingreift und sich in den Verbindungsweg (1.1b; 1.1d) verzweigt.
Ein Dicht- und ein Führungselement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Entlastungsnut (1.1a) umlaufend und durchgehend ausgeführt ist.
Ein Dicht- und ein Führungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenring/Schieberring (1) aus wenigstens drei Kolbenring-Segmenten/Schieberring-Segmenten (1.1) gebildet wird und jedes Segment (1.1) wenigstens einen Verbindungsweg (1.1b; s_a, s₁, 1.1d) aufweist.
Ein Dicht- und ein Führungselement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der Gleitfläche (1.1e) jedes Segmentes (1.1) eine in dessen Umfangsrichtung orientierte Entlastungsnut (1.1a) vorgesehen ist, die, in radialer Richtung gesehen, von außen in die Gleitfläche (1.1e) eingreift und sich in den (die) Verbindungswege) (1.1b; 1.1d) verzweigt.
Ein Dicht- und ein Führungselement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Entlastungsnut (1.1a) jedes Segmentes (1.1) beiderseits jeweils in einem Abstand (a) zu einem Stoß (2) zwischen benachbarten Segmenten (1.1) endet.
Ein Dicht- und ein Führungselement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass jede Entlastungsnut (1.1a) mit ihrem jeweiligen Endbereich an einen zugeordneten Verbindungsweg (1.1b; 1.1d) angeschlossen ist.
Ein Dicht- und ein Führungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Entlastungsnut (1.1a) und/oder die jeweilige Anschlussnut (1.1b), im Querschnitt gesehen, kreisförmig, bevorzugt halbkreisförmig, ausgebildet sind/ist.
Ein Dicht- und ein Führungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenführungsring/Schieberführungsring (3; 5) einteilig ausgeführt ist und an seinem äußeren Umfang die Ausnehmung (3.2; 5.2, 5.3) aufweist, die radial in den Führungsring (3; 5) eingreift und dessen gesamte axiale Breite (b1; b2) überbrückt.
Ein Dicht- und ein Führungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenführungsring/Schieberführungsring (3; 5) aus wenigstens drei Kolbenführungsring-Segmenten/Schieberführungsring-Segmenten (3.1; 5.1) gebildet wird und jedes dieser Segmente (3.1; 5.1) an den jeweiligen Enden eine in den äußeren Umfang eingreifende Anschrägung besitzt, wobei zwei benachbarte Anschrägungen die Ausnehmung (3.2; 5.2) bilden, die jeweils die gesamte axiale Breite (b1; b2) der Segmente (3.1; 5.1) überbrücken.
Ein Dicht- und ein Führungselement nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die die Ausnehmung (3.2; 5.2) bildenden Anschrägungen ebenflächig ausgeführt sind.
Ein Dicht- und ein Führungselement nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der zweiten Kolbenführungsring-Segmente/Schieberführungsring-Segmente (5.1) im Bereich zwischen seinen Enden die in den äußeren Umfang eingreifende zweite Ausnehmung (5.3) besitzt, die jeweils die gesamte zweite axiale Breite (b2) überbrückt.
Ein Dicht- und ein Führungselement nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Ausnehmung (5.3) in einer zur Längsachse des Kolbens/Schiebers (10) senkrechten Ebene kreisförmig ausgeführt ist.
Ein Dicht- und ein Führungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Nutgrundspiel (s₁), gebildet zwischen dem Kolben-/ Schieberring (1) oder dem Kolben-/Schieberring-Segment (1.1) und der zugeordneten Kolben-/Schieberringnut (7), geringfügig größer als das zweite Nutgrundspiel (s₂), gebildet zwischen dem Kolben-/Schieberführungsring (3; 5) oder dem Kolben-/Schieberführungsring-Segment (3.1; 5.1) und der zugeordneten Kolben-/Schieberführungsringnut (8), ausgeführt ist.
Verwendung eines Dicht- und eines Führungselementes nach einem der Ansprüche 1 bis 17 in einer mit Wasserdampf (Heißdampf, Sattdampf oder Nassdampf) beaufschlagten Hubkolben-Kraftmaschine.
Verwendung eines Dicht- und eines Führungselementes nach einem der Ansprüche 1 bis 17 in einer mit Gas beaufschlagten Hubkolben-Kraftmaschine.
Verwendung eines Dicht- und eines Führungselementes nach einem der Ansprüche 1 bis 17 in einer mit Wasserdampf (Heißdampf, Sattdampf oder Nassdampf) beaufschlagten Hubkolben-Arbeitsmaschine.
Verwendung eines Dicht- und eines Führungselementes nach einem der Ansprüche 1 bis 17 in einer mit Gas beaufschlagten Hubkolben-Arbeitsmaschine.
Verwendung eines Dicht- und eines Führungselementes nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Hubkolben-Maschine ventilgesteuert ist.
Verwendung eines Dicht- und eines Führungselementes nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Hubkolben-Maschine schiebergesteuert ist.