DE19509651C2 - Zylinder-Kolben-Anordnung für Hubkolbenmaschinen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zylinder-Kolben-Anordnung für Hubkolbenmaschinen, insbesondere Gasverdichter mit Labyrinthspaltkolben, bei der die Kolbenstange in einer Führungsringe aufweisenden Einrichtung zur axialen Führung gelagert ist.

Eine Zylinder-Kolben-Anordnung dieser Art ist aus der DE 42 09 550 A1 bekannt. Zur Lösung der bei in einer Buchse gelagerten Kolbenstange auftretenden Temperaturprobleme werden Führungsringe auf der Kolbenstange vorgeschlagen. 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.

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.

Zum anderen kommen insbesondere stark verschmutzte Gase mit der im Zylinderdeckel angeordneten Führungseinrichtung in Berührung, so daß 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, so daß der Wirkungsgrad des Verdichters schnell nachläßt, und der Energieverbrauch rasch ansteigt.

Aus der DE-OS 22 39 488 ist eine Kolbenmaschine bekannt, bei der die Führungseinrichtung am Kolben angeordnet ist. Es handelt sich um nachstellbare Führungsringe, die jeweils am oberen und unteren Ende des Kolbens vorgesehen sind.

Beiden Führungseinrichtungen ist gemeinsam, daß die Führungsringe an den bewegten Bauteilen der Maschinen angeordnet sind, so daß die Führungsringe nicht nur Reibungs- sondern auch Beschleunigungskräften ausgesetzt sind.

Vor diesem Hintergrund ist es daher Aufgabe der Erfindung, bei Zylinder- Kolben-Anordnungen der angeführten Art die Einrichtung zur axialen Führung des Kolbens derart zu verbessern, daß der Labyrinthspalt der reibungsfreien, berührungslosen Labyrinthspalt-Abdichtung am Kompressorkolben sowohl beim Anfahren als auch während des Betriebs konstant aufrechterhalten wird, die im Betrieb auf die Führungseinrichtung einwirkenden Belastungskräfte zu reduzieren und die Herstellung und die Montage zu vereinfachen.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß die Führungsringe im Zylinderdeckel angeordnet und selbst-nachstellend ausgebildet sind.

Durch die selbstnachstellend 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.

Zum anderen gleicht die selbst-nachstellend ausgebildete Führungseinrichtung den zwangsläufig durch die im zu verdichtenden Medium enthaltenen abrasiven Teilchen hervorgerufenen Verschleiß aus, so daß 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.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß alle Bestandteile der Führungseinrichtung im Zylinderdeckel konzentriert sind, wodurch der Austausch erleichtert wird und eine besondere Bearbeitung und Ausgestaltung der Kolbenstange nicht erforderlich ist. Ferner werden die Führungsringe und die für die Nachstellung benötigten Bauteile, wie z. B. Federn, nicht durch Beschleunigungskräfte belastet, wodurch die Lebensdauer erhöht wird.

Zur vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung empfiehlt es sich, die Führungseinrichtung mit einem leicht auswechselbaren, in einer Ausnehmung des Zylinderdeckels angeordneten Lagerträger auszubilden.

Auf diese Weise werden besonders günstige Bedingungen für Montage. Kontrolle, Wartung und eventuellen Austausch von Teilen der Führungseinrichtung geschaffen.

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 Führungsring mit einer radial nach außen weisenden, mit der ersten konischen Ringfläche des Stützrings zusammenwirkenden zweiten konischen Ringfläche, wobei der Führungsring aus mindestens zwei gleichen, als Ringstücke ausgebildeten Führungselementen besteht, die mit einem Freiraum zueinander angeordnet sind, sowie mindestens ein federbelasteter Druckring, der auf die Stirnfläche der Führungselemente drückt und eine in axialer Richtung wirkende, die Führungselemente gegen die Stützringe drückende Kraftkomponente erzeugt.

Der im Lagerträger angeordnete Stützring kann im Rahmen der Erfindung im Lagerträger ortsfest fixiert sein. Damit sind die Führungselemente, 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 Führungselementen 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 Führungselemente auftretenden Verschleiß selbstätig aus, wobei durch den Freiraum zwischen den Führungselementen das Nachstellen der Führungselemente ermöglicht wird.

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 Führungselementen 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 Führungselemente nicht mehr nachstellen kann.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Dabei zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform der Einrichtung zur axialen Führung des Kolbens, und

Fig. 2 eine Draufsicht auf einen Führungsring der Einrichtung zur axialen Führung gemäß 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 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.

Weiterhin weist die Einrichtung zur axialen Führung eine Anzahl von hintereinander angeordneten Führungsringen 21 auf, die der Anzahl der hintereinander angeordneten Stützringe 12 entspricht, wobei ein Führungsring aus drei gleichen als Ringstücke ausgebildeten Führungselementen 20 besteht, wie der Fig. 2 zu entnehmen ist. Die Führungselemente 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 Führungsring 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 Führungselemente 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.

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.

Wie der Fig. 2 zu entnehmen ist, sind die drei Führungselemente 20, die zusammen einen Führungsring 21 bilden, mit einem Freiraum 29 zueinander angeordnet, der die Nachstellbarkeit ermöglicht. An ihrer radial nach innen weisenden Führungsfläche 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.

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 Führungselemente 20 werden von dem Druckring 30, der eine in axialer Richtung wirkende Kraftkomponente erzeugt, gegen den Stützring 12 gedrückt. Durch die Keilwirkung der aufeinanderliegenden konischen Flächen 14 und 22 legen sich die Führungselemente 20 dabei mit ihren Führungsflächen 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 Führungselemente 20 an ihren Führungsflächen 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, so daß 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 Führungselemente 20 an und schiebt diese bei auftretendem Verschleiß an der Führungsfläche 26 in axialer Richtung entlang der ersten konischen Ringfläche 14 der Stützringe 12, so daß die Führungselemente 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 Führungselemente 20 erreicht.

Claims (12)

1. Zylinder-Kolben-Anordnung für Hubkolbenmaschinen, insbesondere Gasverdichter mit Labyrinthspaltkolben, bei der die Kolbenstange in einer Führungsringe aufweisenden Einrichtung zur axialen Führung gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsringe (21) im Zylinderdeckel (42) angeordnet und selbstnachstellend ausgebildet sind.

2. Zylinder-Kolben-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungseinrichtung einen leicht auswechselbaren, in einer Ausnehmung des Zylinderdeckels (42) angeordneten Lagerträger (10) aufweist.

3. Zylinder-Kolben-Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß im Lagerträger (10) mindestens ein Stützring (12) mit einer radial nach innen weisenden ersten konischen Ringfläche (14) angeordnet ist,
mindestens ein Führungsring (21) mit einer radial nach außen weisenden, mit der ersten konischen Ringfläche (14) des Stützrings (12) zusammen wirkenden zweiten konischen Ringfläche (22), wobei der Führungsring (21) aus mindestens zwei gleichen, als Ringstücke ausgebildeten Führungselementen (20) besteht, die mit einem Freiraum (29) zueinander angeordnet sind,
sowie mindestens ein federbelasteter Druckring (30), der auf die Stirnfläche (24) der Führungselemente (20) wirkt und eine in axialer Richtung wirkende, die Führungselemente (20) gegen den Stützring (12) drückende Kraftkomponente erzeugt.

4. Zylinder-Kolben-Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützring (12) im Lagerträger (10) ortsfest fixiert ist.

5. Zylinder-Kolben-Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Führungsring (21) aus drei gleichen, als Ringstücke ausgebildeten Führungselementen (20) besteht.

6. Zylinder-Kolben-Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungselemente (20) aus selbstschmierendem Trocken-Gleitwerkstoff gebildet sind.

7. Zylinder-Kolben-Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungselemente (20) an ihrer radial nach innen weisenden Führungsfläche (26) mindestens eine axial verlaufende Entlastungsnut (28) aufweisen.

8. Zylinder-Kolben-Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Höhe der Führungselemente (20) das 0,3 bis 0,6-fache des Kolbenstangendurchmessers (40) beträgt.

9. Zylinder-Kolben-Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel der ersten konischen Ringfläche (14) am Stützring (12) und der Winkel der zweiten konischen Ringfläche (22) am Führungsring (21) zwischen 15° und 20° liegt.

10. Zylinder-Kolben-Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckring (30) einen ringförmigen Absatz (34) aufweist.

11. Zylinder-Kolben-Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckring (30) in einem Gleitring (36) innerhalb des Lagerträgers (10) geführt ist.

12. Zylinder-Kolben-Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl von Stützringen (12) mit zugeordneten Führungselementen (20) und Druckringen (30) hintereinander im Lagerträger (10) angeordnet sind, die sich jeweils mit dazwischen angeordneten Gleitringen (36) aufeinander abstützen.