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Kolbenkompressor zum Fördern von gasförmigem Medium Die Erfindung
bezieht sich auf einen Kolbenkompressor zum Fördern von gasförmigem Medium, mit
am Umfang Dichtungslabyrinthe aufweisendem, schmiermittelfrei im Zylinder arbeitendem
Kolben.
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Bei bisherigen Kompressoren dieser Art wird der Kolben ausschließlich
durch die außerhalb des Zylinders liegenden Führungen, nämlich durch die Kreuzkopfführung
und durch eine an der Kolbenstange angreifende Führung im Zylinder zentriert.
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Demgegenüber besteht die Erfindung darin, daß der Kolben und/oder
Zylinder mit Mitteln ausgestattet ist, die bei auftretenden unterschiedlichen Spaltdrücken
eine pneurnatisch wirkende Eigenzentrierung des Kolbens herbeiführen.
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Bei Maschinen mit geringem Kolbenspiel und während des Betriebs auftretendem
Abrieb der Labyrinthe, also praktisch mit während des Betriebs allmählich anwachsendem
Spiel, wird dann der Ab-
rieb 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
erzielt werden, so kann das anfängliche Spiel zwischen Kolben und Zylinder geringer
als bisher gehalten werden.
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Muß die Maschine auf einem weniger stabilen Fundament aufgestellt
werden oder treten aus sonstigen Gründen Schwingungen des Kolbens oder Zylinders
während des Betriebs auf, so führen sie weniger leicht zu Kolbenberührung und Abrieb
der Labyrinthe.
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Gegebenenfalls sind die Zentriermittel für den Kolben außer der Kreuzkopfführung
für die Kolbenstange die einzige Führung für Kolben und Kolbenstange.
Auf zwischen Kolben und Kreuzkopf angreifender Führung kann dann verzichtet
werden. Dadurch wird die Bauart des Kompressors gedrungener.
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Während bei bisherigen Labyrinthkolbenkompressoren praktisch die ganze
Kolbenlänge mit Dichtungslabyrinthen überdeckt ist, muß bei dem erfindungsemäßen
Kolben im allgemeinen ein Teil der Kolbenlänge zur Anbringung der Radialkrafterzeugungsmittel
(Zentriermittel) herausgezogen werden, sofern diese nicht ausschließlich im Zylinder
angebracht sind. Da es jedoch bei der erfindungsgemäßen Maschine möglich ist, das
anfängliche, bei Inbetriebsetzung der Maschine vorhandene, geringe Kolbenspiel für
längere Betriebszeit aufrechtzuerha.1-ten, wird die Dichtungsfähigkeit eines erfindungsgemäßen,
gleich langen Kolbens - wie die Versuche ergaben - insgesamt trotzdem
verbessert.
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Mit Vorteil wird für die Gaszentrierung des Kolbens 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 Kompressionsraum
herrscht und damit eine Leckgaszentrierung nicht wirksam genug wäre - Fremdgas,
am besten die gleiche Gasart wie das Fördergas, zugeführt werden. In beiden Fällen,
also bei Leckgasausnutzung oder bei Fremdgaszuführung, kann das Gas entweder über
den Außenumfang des Kolbens oder (und) über den Innenumfang des Zylinders geleitet
und zur Kolbenzentrierung ausgenutzt werden.
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Bei einer Ausführungsforrn der Erfindung weisen Kolben oder (und)
Zylinder am Umfang Zentrierkammern bildende Ausnehmungen auf, die über Drosselstellungen
mit dem Kompressionsraum oder (und) mit einer Fremdgaszuführung in Verbindung stehen.
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Bei einer weiteren Bauart besitzt der Kolben--am Umfang mindestens
einen konisch ausgebildeten, labyrinthfreie, glatte Ober ' fläche aufweisendem
Zentrierteil, auf den während des Kompressionshubes vorbeiströmendes, aus dem Kompressionsraum
stammendes Gas zentrierend einwirkt. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel kann man
- etwa beim Anfahren - über die Kolbenstange zugeführtes Fremdgas
während des Kolbenhubes, besonders während des Kompressionshubes, an den konischen
Zentrierteilen des Kolbens vorbeiströrnen lassen.
Weitere Merkmale
ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung
mit der Zeichnung und den Ansprüchen.
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Fig. 1 ist ein schematischer Schnitt durch den Zy-
linder
einer ersten Bauart eines erfindungsgemäß ausgebildeten Kolbenkompresors, der nach
dem Betriebsverfahren arbeitet; Fig. 2 veranschaulicht eine Einzelheit einer abgewandelten
Ausführungsform in größerem Maßstab; Fig. 3 bis 6 zeigen ebenfalls
in schematischen Schnitten vier weitere Ausführungsformen; Fig. 7 ist ein
die Druckverhältnisse erläuterndes Schema.
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In einem Zylinder 1 eines Kolbenkompressors ist ein mit Labyrinthen
2 ausgestatteter, auf einer Kolbenstange 62 befestigter Kolben
3 hin- und herbeweglich. Die Maschine ist zweifach wirkend. Das Fördergas
wird wechselweise über die Saugventile 4, 5 in die beiderseitigen Kompressionsräurne
6, 7 eingeführt und über die Druckventile 8, 20 wieder nach außen
geleitet. Der Kolben 3 besitzt an seinen beiden den Kornpressionsräumen
6, 7 zugekehrten Enden konische, labyrinthfreie, glatte Oberfläche aufweisende
Zentrierteile 9, 11, die durch Druckausgleichkanäle 10 von dem mittleren
Labyrinthteil getrennt sind. Bei dem ausgezogen dargestellten Beispiel ist die Konzität
der Teile 9, 11 derart gestaltet, daß sich der Kolben in Richtung auf die
Kompressionsräume 6, 7 hin jeweils verjüngt. Beim Aufwärtshub des Kolbens
3 wirkt dann der Zentrierteil 9, beim Aufwärtshub der Zentrierteil
11 zentrierend, Der Kolben 3 befindet sich bei dem gezeigten Momentanbild
nicht in Konzentrizität mit der ' Zy-
linderachse 12; 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, bei Schlitz 14, ein der Deutlichkeit wegen übertrieben
groß wiedergegebenes minimales Spiel S.1", links - bei Schlitz
15 - ein sich dabei einstellendes Maximalspiel S""". Auf der Höhe des Zentrierteils
9 sind außen zwei schematische Druckdiagramme eingezeichnet, auf deren Abszisse
der Druck p und auf deren Ordinate die Höhe des Zentrierteils 9 aufgetragen
ist. Der Zentrierteil 9 soll sich dabei in irgendeiner Stellung während des
Aufwärtshubs des Kolbens 3 und damit während der Kompression in Raum
6 befinden. Die Versuche ergaben nun, daß, wenn im Kompressionsraum
6 ein Momentandruck vom Betrag p" herrscht, am unteren Ende des rechten,
engeren Schlitzes 14 ein etwas kleinerer Druck P, und am unteren Ende des gegenüberlielgenden
Schlitzes 15 ein Druck p,'
herrscht, der kleiner als p, ist.
Die gesamte, der schraffierten Fläche des Diagramms 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 Betriebs eine radial nach innen, zur Achse 12 hin gerichtete Zenrierkraft erzeugt,
deren Betrag bei vollkommener Konzentrizität entsprechender Kolbenstellung ringsherum
gleich ist, während er bei einer Kolbenexzentrizität e auf der Seite einer Verkleinerung
des Spaltes, also bei 14, selbsttätig anwächst, 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 Berührstelle. Der Kolben 3 wird daher zur Achse 12 hingerückt
und damit aerodynamisch zentriert. über die Kanäle 10 kann der Druck ausgeglichen
werden. Entsprechendes gilt bei Abwärtsbewegung des Kolbens 3, also bei Kompression
im Raum 7, hinsichtlich der Drücke in den Schlitzen 16, 17 zwischen
dem Zentrierteil 11 und dem Zylinder 1.
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Bei einer abgewandelten Ausführungsform ist die Konizität der Teile9,
11 umgekehrt, vgl. die lediglich auf der linken Seite des Kolbens
3 in Fig. 1 gestrichelt eingezeichneten Konuslinien T, 11'.
Die Versuche haben ergeben, daß auch in dieser Weise gestaltete Zentrierteile wirksam
sind, und zwar wirkt dann beim Aufwärtshub hauptsächlich der Zentrierteil ll', beim
Abwärtshub hauptsächlich der Zentrierteil 9'.
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Bei abgewandelten, einfach wirkenden Kompressoren ist z. B. auf den
ausgezogenen dargestellten Zentrierteil 11 verzichtet, und der Raum
7 ist unten offen. Zentrierend wirkt dann nur der ausgezogen dargestellte
Teil 9. Statt dessen kann aber auch auf Teil 9
verzichtet und nur ein
Zentrierteil 11' mit gestrichelt eingezeichnetem, konischern Umfang vorgesehen
sein.
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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 können. -
Gegebenenfalls können etwa bei der
Ausführungsform 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. Die Löcher 65, 66
sind
besonders bei der Bauart mit den in Fig. 1 gestrichelt eingezeichneten Zentrierteilen
9', 11' von Vorteil. In diesem Falle stehen die Löcher 65 über in
Kolben 3 angebrachte Kanäle und ein beim Abwärtshub öffnendes Ventil mit
dem unteren Kompressionsraum 7, die Löcher 66 über entsprechende Kanäle
und ein beim Aufwärtshub öffnendes Ventil mit dem oberen Kompressionsraum
6 in Verbindung, so daß beim Abwärtshub Zentriergas aus Raum 7 über
die Löcher 65 in den oberen Ringkanal 10 geleitet wird, das an dem
Zentrierteil 9' zur Wirkung kommt, während beim Aufwärtshub Gas aus Raum
6 über die Löcher 66 in den unteren Ringkanal 10 eingeleitet
wird, das an dem Zentrierteil 11' zentrierend wirkt. Gegebenenfalls kann
-über die Löcher 65, 66 auch Fremdgas zugeführt werden, das über in der Kolbenstange
62 befindliche Kanäle zugeleitet wird. 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.
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Bei dem Beispiel nach Fig. 3 sind am oberen Kolbenteil
18 und ebenso am unteren Kolbenteil 19 Zentrierkammern bildende Ausnehmungen
22 angebracht, die über Drosselkanäle 23 mit den Ringkanälen 10 in
Verbindung stehen. Zwischen je zwei Zentrierkammern 22 befinden sich achsparallele
Ausströmnuten 21. Während des Abwärtshubes, nämlich solange im Kompressionsraum
7 höherer Druck herrscht als im Kompressionsraum 6, strömt aus Raum
7
stammendes Gas über den oberen Ringkanal 10 und die Drosselkanäle
23 in die Zentrierkammern 22 des Teils 18. Aus denjenigen Kammern
22, die infolge einer momentan eintretenden exzentrischen Stellung des Kolbens
3 von der Wandung des Zylinders 1 verhältnismäßig
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 gerichtete Zentrierkraft hat dort also geringen
Betrag. Auf der gegenüberliegenden Seite bildet sich jedoch der enge S chlitz
26 aus, so daß sich in den dort befindlichen Kammern 22 höherer Druck einstellt,
durch den der Kolben 3 zur Mitte hin gerückt wird. Es werden also wiederum
über den ganzen Umfang des Kolbens 3
der Exzentrizität entsprechende Zentrierkräfte
selbsttätig erzeugt, deren Betrag im engsten Teil des Spaltes, nämlich im Schlitz
26, am größten wird. Beim Aufwärtshub des Kolbens tritt dann eine entsprechende
Zentrierwirkung an den Kammern 22 des Teils 19 auf.
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Sind die Kammern 22 und die Nuten 21 in umgekehrter Weise an die Kanäle
10 bzw. die Räume 6, 7
angeschlossen (vgl. die strichpunktiert eingezeichneten
Teile 22, 23', 21'), so strömt beim Aufwärtshub des Kolbens 3 Gas
aus dem Kompressionsraum 6 über die Drosselkanäle 23' in die Zentrierkammern
22 des Teils 18 ein, und es entsteht in den dem engen Schlitz 26
nahen
Kammern 22 höherer 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 dem Schlitz 27 benachbarten Kammern
22 in die Nuten 21' und von hier über den oberen Ringkanal 10 ab. Entsprechend
strömt beim Abwärtshub des Kolbens Gas aus dem Kompr#essionsraum 7 über Drosselkanäle
23' in die Kammern 22 des Teils 19 ein, so daß wieder die erwähnte
Zentrierung eintritt.
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Ist die Maschine gemäß Fig. 3 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- Kolbenteils
19 oder (und) die strichpunktiert eingezeichneten Teile 22, 23', 21'
des oberen Kolbenteils 18.
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Bei der Bauart nach Fig. 4 ist der Kolben 3 hohl ausgebildet
und besitzt in zwei den Kompressionsräumen 6, 7 zugekehrten Bereichen Labyrinthteile
31,
32. Zwischen ihnen ist ein mit Kammern 33 versehener Zentrierteil
34 angeordnet. Beiderseits des Teils 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 entsprechendes Ventil 38 einströmt.
Das in Raum 36 befindliche 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
Kammern 33 bei dem weiten Schlitz 27, so daß eine in Fig. 4 von rechts
nach links wirkende Zentrierung eintritt. Aus den Kammern 33
mit höherem Druck
strömt Gas über den engen Schlitz 26 in die Ringkanäle 10 und von
hier über den weiten Schlitz 27 in einen oder beide Kompressionsräume weiter.
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Bei dem Beispiel nach Fig. 5 besitzt der Kolben 3
drei
Labyrinthteile 31, 41, 32 und zwei mit Kammern 33 versehene
Zentrierteile 34, 42. Die Zentrierteile 34, 42 sind jeweils beiderseits durch Ringkanäle
10 von den Labyrinthteilen 31, 41, 32 getrennt. Sämtliche Kammern
33 sind von stehengebliebenen Teilen 43 umschlossen, welche quadratische
Umgrenzung besitzen. je zwei in der Zeichnung übereinanderliegende Kammern
33 sind gemeinsam durch einen Kanal 45 mit dem Kompressionsraum
6 oder dem Kompressionsraum 7 verbunden, und zwar sind wechselweise
z. B. die einen Kammerpaare 46 mit dem Kompressionsraum 6, die anderen Kammerpaare
47 mit dem Kompressionsraum 7 verbunden.
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Die Ausführungsform nach Fig. 6 entspricht derjenigen nach
Fig. 4, jedoch sind hier die Kammern 33
über in der Kolbenstange, angebrachte
Kanäle 51, 52
mittels von außen zugeführtem Zentriergases gespeist. Vorteilhaft
wird die gleiche Gasart als Zentriermedium verwendet, die auch über die Ventile
4, 5 einströmt.
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In Fig. 6 ist übrigens angedeutet, wie im Zvlinder
1
Radialkrafterzeugungs- und damit Zentriermittel eingebaut werden, können.
Zu diesem Zweck kann der Zvlinder mit über den ganzen Umfang verteilten Kalb_ mern
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 zugeführtem
Zentriergas gespeist werden.
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Die Druckverhältnisse bei den Ausführungsformen nach Fig.
3 bis 6 sind in Fig. 7 schematisch veranschaulicht. Das über
Kanäle 23 (Fig. 3), 35 (Fig. 4 bis 6)2 45 oder 56, 57, 58
(Fig. 6) in die Zentrierkammern 22, 33 bzw. 53 einstr
' ömende Gas steht unter dem Druck p, Den Drosselstellen
23, 35, 61 ist ein konstanten Durchlaßquerschnitt aufweisendes Drosselorgan
25 äquivalent. In den Zentrierkammern 22, 33,
53 herrscht ein
Druck Pk. Den Schlitzen 26, 27 ist ein Drosselorgan 28 äquivalent,
dessen Durchlaßquerschnitt für jede Kammer 22, 33, 53 anderen Betrag hat,
und zwar ist er für die dem engsten Schlitz 26
benachbarten Kammern am kleinsten
und wird kontinuierlich größer, je weiter entfernt die Kammern hiervon sind;
größter 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 Pk, und Pk ist größer als
p, Die Differenz zwischen Pk 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.
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Ähnlich wie bei Fig. 1 und 3 ausgeführt, können 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
Zy-
linder 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.
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Eine weitere Abwandlung ergibt sich, wenn am Kolbenumfang oder (und)
an der Zylinderwandung statt Zentrierkammern 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 Spaltverkleinerung (bei 26) durch die
Löcher zurückzuströmen sucht. An den dem engen Schlitz 26 benachbarten Löchern
entsteht dann größerer Druck als an
den gegenüberliegenden, dem
größeren Schlitz 27 benachbarten Löchern, so daß wieder eine entsprechende
Zentrierwirkung eintritt.
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Ferner kann, ein und derselbe Kolben z. B. einen konischen Zentrierteil
und außerdem Zentrierkammern etwa zur Zuführung von Fremdgas beim Anfahren besitzen,
oder der Kolben ist mit einem konischen Zentrierteil und der Zylinder mit Zentrierkammern
ausgerüstet. Es sind also die verschiedensten Kombinationen der erwähnten Zentrierungsmittel
für das Verfahren zum Betrieb des Labyrinthkolbenkompressors möglich.