DE2158445A1

DE2158445A1 - PISTON SEAL OF PISTON MACHINES FOR HIGH PRESSURE

Info

Publication number: DE2158445A1
Application number: DE19712158445
Authority: DE
Inventors: Heinz Nink
Original assignee: Borsig GmbH
Current assignee: Borsig GmbH
Priority date: 1971-11-22
Filing date: 1971-11-22
Publication date: 1973-06-07
Also published as: DE2158445B2

Description

Kolben-Dichtung von Kolbenmaschinen für hohe DrUcke Die Erfindung betrifft eine Kolben-Dichtung von Kolbnmaschinen für hohe Drücke aus Kolbenringen. Piston seal of piston engines for high pressures The invention relates to a piston seal for piston machines for high pressures from piston rings.

Bei derartigen Kolben-Dichtungen ist eine gute Dichtigkeit bei möglichst geringem Verschleiß der Kolbenringe und Zylinder oder möglichst geringer Flächenpressung- zwischen den Kolbenringen und ihren Zylinderlaufflächen erforderlich. With such piston seals, a good tightness is possible with low wear of the piston rings and cylinders or the lowest possible surface pressure required between the piston rings and their cylinder surfaces.

Es ist bekannt,- zur Erfüllung dieser Erfordernisse bei Kolbenringen mit offener Stoßfuge zur Verminderung der Flächenpressung Entlastungsnuten in der äußeren Mantelfläche des Kolbenrings vorzusehen, durch besondere Formgebung des Kolbenrings bzw. und der Kolbennut oder z.B. durch Anbringung eines Schlosses an der Stoßfuge oder durch Maßnahmen, die verhindern, daß der volle Betriebsdruck auf den Rücken des Kolbenrings wirkt, die Flächenpressung des Kolbenrings gegen die Zylinderlauffläche zu verringern (Druckschrift "DER KOLBENRING, Nr. 8 der Firma GOETZEWERK, Friedrich Goetze Aktiengesellschaft, Burscheid bei Köln, vom Jahre 1935/1936, besonders Seite 42 - 44). Alle diese bekannten Formen und-Anordnungen von Kolbenringen ermöglichen es aber nicht, bei einem Kolbenring mit größter Dichtigkeit die Flächenpressung zwischen dem Kolbenring und der Zylinderlauffläche auf eine bestimmbare Mindestgröße zu verringern oder gar zu vermeiden. Die offenen Stoßfugen vergrößern sich mit dem Verschleiß der Dichtungselemente und somit auch die Leckage. Ganz besonders nachteilig wirken sich diese Mängel bei hohen Drücken und-Troekenlaufmaschinen aus. It is known - to meet these requirements for piston rings with open butt joint to reduce the surface pressure relief grooves in the Provide outer circumferential surface of the piston ring by special shaping of the Piston ring or and the piston groove or e.g. by attaching a lock the butt joint or by measures that prevent the full operating pressure the back of the piston ring acts, the surface pressure of the piston ring against the Reduce cylinder surface area (publication "DER KOLBENRING, No. 8 of the company GOETZEWERK, Friedrich Goetze Aktiengesellschaft, Burscheid near Cologne, from 1935/1936, particularly Pages 42 - 44). All of these known shapes and arrangements of piston rings allow But not the surface pressure in the case of a piston ring with the greatest tightness between the piston ring and the cylinder running surface to a determinable minimum size to reduce or even to avoid. The open butt joints enlarge with the Wear of the sealing elements and thus also the leakage. Particularly disadvantageous These deficiencies are felt at high pressures and dry running machines.

Die Erfindung soll das bessern. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kolben-Dichtung für hohe Drücke zu schaffen,. die bei guter Dichtigkeit lange Standzeiten gewährleistet. The invention is intended to improve that. It is based on the task of a Create piston seal for high pressures. the long service life with good tightness guaranteed.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Kolben-Dichtung aus geschlossenen, massiven Kolbenringen ohne Stoßfuge und aus jeweils einem im Außenmantel des Kolbenrings untergebrachten Hilrskolbenring mit bekannter, offenör Stoßfuge besteht. This object is achieved according to the invention in that the piston seal from closed, solid piston rings without butt joints and from one im Outer jacket of the piston ring housed Hilrskolbenring with known, open ör Butt joint exists.

Soll der Kolbenring bei -Betriebstemperatur und Betriebsdruck mit einer bestimmbaren und berechenbaren zulässigen Flächenpressung gegen die Zylinderlauffläche gedrückt werden, weist nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung der Kolbenring einen solchen Außendurchmesser auf, daß der im kalten und drucklosen Zustand der Kolben-Dichtung vorhandene Ringspalt zwischen dem Kolbenring und der ZylinderlaufflSche des Kolbens bei Erreichen der Betriebstemperatur der Kolben-Dichtung geschlossen ist. Should the piston ring at -operating temperature and operating pressure with a determinable and calculable permissible surface pressure against the cylinder running surface are pressed, according to a further embodiment of the invention, the piston ring such an outer diameter that the cold and unpressurized state of the Piston seal, there is an annular gap between the piston ring and the cylinder barrel of the piston closed when the operating temperature of the piston seal is reached is.

Soll hingegen minimale, fast auf Null gehende Flächenpressung zwischen dem Kolbenring und der Zylinderlauffläche wirken5 weist nach der Erfindung der Kolbenring einen solchen Außendurchmesser auf daß von dem im kalten und drucklosen Zustand der Kolben-Dichtung vorhandenen Ringspalt zwischen dem Kolbenring und der Zylinderlauffläche bei Erreichen der Betriebstemperatur der Kolben-Dichtung noch ein Ringspalt von z.B. 0,1 mm verbleibt, der durch den Betriebsdruck infolge mechanischer Dehnung des Kolbenrings verschwindet. On the other hand, the aim is to have a minimum, almost zero surface pressure between the piston ring and the cylinder running surface act5, according to the invention, the piston ring such an outside diameter so that from that in the cold and unpressurized State of the piston seal existing annular gap between the piston ring and the Cylinder running surface when the piston seal reaches operating temperature an annular gap of e.g. 0.1 mm remains, which is caused by the operating pressure as a result of mechanical The expansion of the piston ring disappears.

Will man verhindern, daß der Hilfskolbenring schnell verschleißt, besteht erfindungsgemäß der Hilfskolbenring aus einem Werkstoff mit guten Gleiteigenschaften, z.B. PTFE, mit geringer Vorspannung und größerem StoRspiel. If you want to prevent the auxiliary piston ring from wearing out quickly, According to the invention, the auxiliary piston ring consists of a material with good sliding properties, E.g. PTFE, with low preload and larger backlash.

Für Trockenlauf-Kolbenmaschinen bestehen nach einer ferneren Ausgestaltung der Erfindung der Kolbenring und der Hilfskolbenring aus für -Trockenlauf geeigneten Werkstoffen. For dry-running piston machines, there is a further embodiment the invention of the piston ring and the auxiliary piston ring from suitable for dry running Materials.

Für doppeltwirkende Kolben ist nach der Erfindung der Hilfskolbenring etwa in der Mitte im Außenmantel des Kolbenrings angeordnet; während für einfachwirkende Kolben der Hilfskolbenring wie bei doppeltwirkenden Kolben oder auch so im Außenmantel des Kolbenrings untergebracht sein kann, daß die eine Seitenfläche des Hilfskolbenrings einen der die Kolbenringe seitlich einfassenden Zwischenring berührt und gegen einen Raum höheren Drucks gerichtet ist. According to the invention, the auxiliary piston ring is for double-acting pistons arranged approximately in the middle in the outer jacket of the piston ring; while for single-acting Piston the auxiliary piston ring as in double-acting pistons or in the outer jacket of the piston ring can be accommodated that one side surface of the auxiliary piston ring touches one of the intermediate ring enclosing the piston rings laterally and against one Room is directed towards higher pressure.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß der hohe Verschleiß von Kolbenring- und Zylinderwerkstoffen besonders bei Hochdruck-Kolbenmaschinen vermieden wird, der benutzte Hilfskolbenring aus einem Werkstoff mit guten Gleiteigenschaften, z.B. PTFE, besteht und eine besonders gute Abdichtung der Kolben-Dichtung erreicht wird. The advantages achieved with the invention are in particular: that the high wear of piston ring and cylinder materials, especially in high pressure piston machines it is avoided that the auxiliary piston ring used is made of a material with good sliding properties, e.g. PTFE, and achieves a particularly good seal of the piston seal will.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Kolben-Dichtung für einfachwirkende Verdichtung, Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine Kolben-Dichtung für einfach-und doppeltwirkende Verdichtung und Fig. 3 einen Ausschnitt aus einem Längsschnitt durch eine Kolben-Dichtung für einfachwirkende Verdichtung. Embodiments of the invention are shown in the drawing and are described in more detail below. 1 shows a longitudinal section through a piston seal for single-acting compression, FIG. 2 is a longitudinal section with a piston seal for single and double acting compression and Fig. 3 shows a detail from a longitudinal section through a piston seal for single-acting Compression.

In einer Zylinderlauffläche 1 macht der Kolben 2 mit den massiven und geschlossen ausgeführten Kolbenringen 3, den im Außenmantel der Kolbenringe 3 eingebauten Hilfskolbenringen 4 bekannter Bauart mit offener Stoßfuge5 den Zwischenringen 5/den Abstandsringen 6 und der Kolbenmutter 7 hin- und hergehende Bewegungen. über ein Axialspiel zwischen dem Kolbenring 3 und dem Zwischenring 5 oder durch die Nut 8 im Zwischenring 5 tritt das Arbeitsmedium der -Kolbenmaschine in den Ringspalt 9 zwischen dem Kolbenring 3 und dem Abstandsring 6 und drückt den Kolbenring 3 auseinander. Der äußere Durchmesser des Kolbenrings 3 ist so bemessen, daß allein zufolge der thermischen Beanspruchung des Kolbenrings 3 durch seine Betriebstemperatur der Ringspalt zwischen dem Kolbenring 3 und der Zylinderlauffläche 1 geschlossen oder fast geschlossen ist. Durch entsprechende Dimensionierung des Kolbenrings 3 kann so für einen gewählten Kolbenringwerkstoff z.B. die gewünschte Flächenpressung zwischen dem Kolbenring 3 und der Zylihderlauffläche bei Betriebstemperatur und Betriebsdruck im Zylinder festgelegt werden. In bestimmten Fällen kann aber zur Sicherheit bei Betriebstemperatur ein Ringspalt zwischen dem Kolbenring 3 und der Zylinderlauffläche 1 von z.B. O,1 mm bleiben. Während der Inbetriebnahme, der.Kolbenmaschine kann es vorkommen, daß der besagte Ringspalt wegen der niedrigen Temperatur im Zylinder so groß bleibt, daß der Kolbenring 3 schlecht dichtet. Die Folge. ist, daß die davon befallene Druckstufe zu wenig Druck aufbauen kann und die Vorstufe die fehlende Druckdifferenz mit übernehmen muß, wodurch Schwierigkeiten in der Kolbenmaschine entstehen können. Um solche Schwierigkeiten mit Sicherheit auszuschließen, tritt zusätzlich der im Kolbenring 3 untergebrachte Hilfskolbenring 4 mit offener Stoßfuge in Tätigkeit. Mit Hilfe dieses Hilfskolbenrings 4 ist dann der Kolben 2 an dieser Stelle des Kolbenrings 3 schon bei sehr niedrigem Differenzdruck verhältnismäßig dicht. Bei steigender Temperatur und steigendem Druck wird der Ringspalt zwischen dem Kolbenring 3 und der Zylinderlauffläche 1 immer geringer5 bis der Kolbenring 3 zur Anlage kommt und seine Außenmantelfläche mit der des Hilfskolbenrings 4 bündig ist. Dem Konstrukteur ist es also möglich vorauszubestimmen, welche Flåchenpressung er zwischen dem Kolbenring 3 und der Zylinderlauffläche 1 zulassen will. Besonders bei Trockenlaufverdichtern ist die richtige Festlegung dieser zulässigen Flächenpressung von entscheidener Bedeutung für die einwandfreie Funktion dieser Kolben-Dichtung. Die Lage des Hilfskolbenrings 4 ist nach der Verwendungsart festzulegen. Die Ausführung nach Fig. 2 eignet sich für einfach- oder doppeltwirkende Kolben; während die Anordnung nach den Fig. 1 und 3 ausschließlich für einfachwirkende Kolben gedacht ist, wobei mit 10 der Raum höheren und mit 11 der Raum niedrigeren Drucks bezeichnet ist. Um den Hilfskolbenring 4 vor großem Verschleiß zu schützen, ist er insbesondere mit geringer Vorspannung und größerem Stoßspiel gefertigt und.besteht z.B. aus PTFE, wobei also beim Anfahren der Maschine der Betriebsdruck den Hilfskolbenring 4 gegen die Zylinderlauffläche 1 drückt und die Dichtwirkung erzielt, die bei Betriebstemperatur und Betriebsdruck vom Kolbenring 3 übernommen wird. In a cylinder running surface 1, the piston 2 makes with the massive and closed piston rings 3, the ones in the outer surface of the piston rings 3 built-in auxiliary piston rings 4 of known design with open butt joint 5 the intermediate rings 5 / the spacer rings 6 and the piston nut 7 reciprocating movements. above an axial play between the piston ring 3 and the intermediate ring 5 or through the groove 8 in the intermediate ring 5, the working medium of the piston machine enters the annular gap 9 between the piston ring 3 and the spacer ring 6 and presses the piston ring 3 apart. The outer diameter of the piston ring 3 is dimensioned so that according to the alone thermal stress on the piston ring 3 due to its operating temperature of the annular gap between the piston ring 3 and the cylinder running surface 1 is closed or almost closed is. By appropriate dimensioning of the piston ring 3 can be chosen for a Piston ring material e.g. the desired surface pressure between the piston ring 3 and the cylinder running surface at operating temperature and operating pressure in the cylinder be determined. In certain cases, however, to be on the safe side at operating temperature a Annular gap between the piston ring 3 and the cylinder running surface 1 of e.g. 0.1 mm stay. During commissioning of the piston machine, it can happen that the said annular gap remains so large because of the low temperature in the cylinder that the piston ring 3 seals poorly. The consequence. is that the pressure level affected by it too little pressure can build up and the prepress takes over the missing pressure difference must, which can cause difficulties in the piston engine. To such trouble to be excluded with certainty, the one accommodated in the piston ring 3 also occurs Auxiliary piston ring 4 with open butt joint in action. With the help of this auxiliary piston ring 4 is then the piston 2 at this point of the piston ring 3 at a very low level Differential pressure relatively tight. With rising temperature and rising pressure the annular gap between the piston ring 3 and the cylinder running surface 1 is always less5 until the piston ring 3 comes to rest and its outer circumferential surface with it that of the auxiliary piston ring 4 is flush. It is therefore possible for the designer to determine in advance the surface pressure between the piston ring 3 and the cylinder running surface 1 want to allow. The correct definition is particularly important for dry-running compressors this permissible surface pressure of decisive importance for the proper Function of this piston seal. The position of the auxiliary piston ring 4 depends on the type of use to be determined. The embodiment according to Fig. 2 is suitable for single or double acting Pistons; while the arrangement according to FIGS. 1 and 3 only for single-acting Piston is intended, with 10 the space higher and 11 the space lower pressure is designated. To the auxiliary piston ring 4 from great wear it is to be protected in particular with low preload and larger joint clearance made and. consists e.g. of PTFE, whereby the operating pressure when starting the machine the auxiliary piston ring 4 presses against the cylinder running surface 1 and the sealing effect achieved, which is taken over by the piston ring 3 at operating temperature and operating pressure will.

Claims

P a t en t a n s p r ü c h e

W piston seal of piston machines for high pressures from piston rings, d a d u r c h g e k e n n n z e i c h -n e t that the piston seal is made of closed, massive piston rings (3) without butt joints and one each in the outer jacket of the Piston ring (3) housed auxiliary piston ring (4) with known5 open butt joint consists.

2. Piston seal according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the piston ring (3) has such an outer diameter that the annular gap between the piston ring when the piston seal is cold (3) and the cylinder surface (1) of the piston (2) when the operating temperature is reached the piston seal is closed.

3. Piston seal according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the piston ring (3) has such an outer diameter that of the annular gap between the piston seal that is present in the cold state Piston ring (3) and the cylinder running surface (1) when it is reached the Operating temperature of the piston seal - an annular gap of e.g. 0.1 mm remains.

4. Piston seal according to claim 1-3, d a d u r c h g e k e n n shows that the auxiliary piston ring (4) is made of a material with good sliding properties, e.g. PTFE, with low preload and larger joint clearance.

5. Piston seal according to claim 1 - 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the piston ring (3) and the auxiliary piston ring (4) are designed to run dry suitable materials.

6. Piston seal according to claim 1-5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e -t that the auxiliary piston ring (4) is approximately in the middle in the outer jacket of the piston ring (3) is arranged (Fig. 1 and 2).

7. Piston seal according to claim 1-5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the auxiliary piston ring (4) is in the outer jacket of the piston ring (3) is housed that one side surface of the auxiliary piston ring (4) one which the piston rings (3) laterally bordering the intermediate rings (5) touches and against a space (10) higher pressure is directed (Fig. 3).