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Hubkolbenmaschine, insbesondere Hochdruck-Trockenlaufverdichter, mit
Dichtringanordnung Die Erfindung bezieht sich auf eine Hubkolbenmaschine, insbesondere
Hochdruck-Trockenlaufverdichter, mit wenigstens einem, vorzugsweise segmentförmig
ausgebildeten, Dichtring aus im wesentlichen.
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formbeständigem Material, welcher zur Abdichtung des Kolbenspalts
von außen radial gegen den Kolben gedrUcktwird.
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Um eine brauchbare Arbeitsweise von Hubkolbenverdichtern zu erhalten,
muß bei diesen der Spalt zwischen Kolben und Zylinder, nachfolgend ala Kolbenspalt
bezeichnet, weitmöglichst abgedichtet werden. Hierzu ist es bekannt, am Kolbenumfang
umlaufende Nuten vorzusehen, in welchen Dichtringe, sogenannte Kolbenringe, angeordnet
werden. Die Kolbenringe sind dabei geschlitzt und werden
vornehmlich
durch den Gasdruck radial nach außen gegen den Zylinder gedrückt. Dabei wirkt insbesondere
bei dem dem Zylinderraum benachbarten äußeren Kolbenring der volle Gasdruck aus
dem Zylinderraum auf den Kolbenring und von diesem auf die Zylinderlaufbüchse. Es
ist leicht einzusehen, daß sich hierdurch ein starker Kolbenringsowie Zylinderverschleiß
ergibt, wobei der Zylinderverschleiß im Bereich des oberen Totpunktes des Kolbens
infolge der dort herrschenden hohen Temperaturen und Drücke bekanntermaßen seinen
Höchstwert hat. Der bei der bekannten Kolbenringanordnung auftretende Verschleiß
hat merkliche Energieverluste sowie schließlich einen Verlust an Dichtleistung zur
Folge, wodurch sich Wirkungsgrad und Funktionssicherheit des Kompressors verringern.
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Im übrigen können im Kolben angebrachte Dichtringe nur dort verwendet
werden, wo für diese ausreichend Platz zur Verfügung steht.
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Dies ist jedoch insbesondere bei der Endstufe von Hochdruckverdichtern
vielfach nicht der Fall, da bei diesen der Kolbendurchmesser oft zu klein zur Aufnahme
von Dichtringnuten am Kolbenumfang ist. Zur Veranschaulichung dieser Tatsache sei
beispielsweise angeführt, daß bei einem gebauten auf 200 atü verdichtenden Hochdruckkompressor
der Kolbendurchmesser nur 20 mm betrug.
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Man hat daher bereits versucht, Dichtringanordnungen zu verwenden,
die sich in der Zylinderwandung befinden. Diese bekannten Dichtringe sind geteilt
ausgeführt und werden durch Federn radial von außen gegen den Kolben gedrückt. Die
Federn üben dabei während des gesamten Verdichtungsverlaufs eine konstante Anpreßkraft
auf den einzelnen Dichtring aus, die so groß ist wie zur Abdichtung beim maximalen
Kompressionsdruck erforderlich. Dadurch ergeben sich ständig wirkende hohe Reibungskräfte,
was gerade bei den bei Hochdruckverdichtern herrschenden hohen Drücken und Temperaturen
zu einem besonders großen Verschleiß am Kolben und an den Dichtringen sowie den
sich daraus ergebenden Folgen wie Wirkungsgradverminderung und Herabsetzung der
Funktionssicherheit des Kompressors führt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einsache
und
wirksame Hubkolbenmaschine, insbesondere Hochdruck-Trockenlaufverdichter, mit wenigstens
einem, vorzugsweise segmentförmig ausgebildeten, Dichtring aus im wesentlichen formbeständigem
Material, welcher zur Abdichtung des Kolbenspalts von außen radial gegen den Kolben
gedrückt wird, zu schaffen, welche nicht die Nachteile-der bekannten Hubkolbenmaschinen
mit ihren Abdichtanordnungen aufweist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Dichtring
mittels eines Druckmediums gegen den Kolben gedrückt wird, deuen DrucNinte2° reeines
Druckreglers,in Abhängigkeit vom jeweiligem Zylinderdruck einstellbar ist. Mit Vorteil
besteht dabei der Dichtring aus einem Kunststoff, vorzugsweise Teflon, wobei der
Druck des Druckmediums derart wählbar ist, daß das Produkt aus radialem Anpreßdruck
p (kp/cm2 des Dichtrings gegen den Kolben und der Kolbengeschwindigkeit v Ln'/sec
vorzugsweise vier beträgt. Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der
Erfindung strömt das Druckmedium in einem separaten Kreislauf, in welchem es kühlbar
ist.
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Die erfindungsgemäße Abdichtanordnung ermöglicht es, den Anpreßdruck
der Dichtringe gegen den Kolben während des gesamten Verdichtungsverlaufs jeweils
entsprechend der erforderlichen Abdichtwirkung, d.h. also entsprechend dem Druckverlauf
im Zylinderraum, genau einzustellen. Wie leicht einzw ehen, wird dabei die Anpreßkraft
so gering wie möglich gehalten, wodurch sich bei ausreichender Dichtwirkung minimale
Reibungskräfte ergeben. Dies wiederum bedeutet einen kleinstmöglichen Verschleiß
an der Dichtanordnung und insgesamt eine Erhöhung des Wirkungsgrades des Kompressors.
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Als Druckmedium sind die verschiedensten Medien verwendbar, beispielsweise
Luft, Gas oder Wasser. Der Werkstoff für die Dichtringe kann grundsätzlich auch
metallisch sein. Die Vorteile der Erfindung kommen jedoch besonders gut bei Dichtringen
aus einem Kunststoff, vorzugsweise Teflon, zur Geltung, welche bekanntlich besonders
gute Gleiteigenschaften besitzen. Das bereits erwähnte Produkt aus p und v stellt
ein Maß für die Reibleistung bei der Dichtanordnung dar. Da sich andererseits die
Reibleistung in
einer Erwärmung äußert, ist die Einhaltung eines
bestimmten p x v -Verhältnisses vor allem bei Kunststoffen im Hinblick auf deren
Materialeigenschaften besonders wichtig. Die erfindungsgemäße Dichtanordnung ermöglicht
jedoch mit einfachen Mitteln eine genaue Einstellung dieses Verhältnisses. Im übrigen
ist bei der besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, bei welcher das
Druckmedium in einen separaten Kreislauf strömt, in welchem es kühlbar ist, kontinierlich
Wärme von den Dichtringen abführbar, wodurch die Funktionssicherheit der erfindungsgemäßen
Vorrichtung noch weiter erhöht wird.
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Es ist zwar bereits grundsätzlich bekannt, eine Abdichtanordnung mit
Hilfe eines Druckmediums von außen radial gegen einen Kompressorkolben zu drücken.
Bei der bekannten Dichtungsanordnung wird jedoch der Druck aus dem Zylinderraum
direkt über einen stationären Wasserring auf die Dichtung gegeben, welche als flexible
Dichtmanschette einstückig ausgebildet ist. Es bedarf keiner näheren Erläuterung,
daß diese bekannte Dichtanordnung keine ausreichende Sicherheit beim Betrieb von
Hochdruckverdichtern gewährleistet.
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Zum einen besitzt die verwendete Dichtung im Hinblick auf die auftretenden
starken Wechselbeanspruchungen und hohen Temperaturen, die ebenfalls wechseln, keine
ausreichende Dauerfestigkeit, sodaß die Lebensdauer der Dichtung gering ist. Zum
anderen muß bei der bekannten Anordnung der Zylinder an der Abdichtstelle zweifach
geteilt sein, um die Dichtanordnung in diesem anbringen zu können. Die vorliegende
erfindungsgemäße Vorrichtung unterscheidet sich von der vorstehend beschriebenen
wesentlich. Sie weist nämlich im Gegensatz zu dieser eine formschlüssige Anordnung
von Dichtringen aus formbeständigem Material auf, welche wesentlich höheren Belastungen
und Temperaturen stand-hält.
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In dem erfindungsgemäßen Druckmediumkreislauf kann das Druckmedium
über einen Regler auf einen ganz bestimmten, außer dem Zylinderdruck auch die Kolbengeschwindigkeit
berücksichtigenden Druck eingestellt werden. Der erfindungsgemäß verwendete Druckmediumkreislauf
ermöglicht wie bereits erwähnt auch eine bei der bekannten Anordnung nicht vorhandene
Dichtringkühlung. Da die erfindungsgemäßen Dichtringe segmentförmig aufgeteilt sind,
konnen diese auf einfache Weise grundsätzlich auch in einen an der Dichtstelle ungeteilten
Zylinder eingelegt werden.
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Vorteilhafterweise ist der vom Druck in dem Kolbenspalt, der dem Zylinderraum
zugewandt ist, beaufschlagbare Druckregler im Druckmedium-Kreislauf angeordnet.
Dies ermöglicht eine besonders exakte und schnelle Einstellung des Anpreßdrucks.
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Bei einer vorteilhaften Ausbildung der erfindungsgemäßen Vorrichung
weisen sämtliche jeweils in einer separaten Kammer stirnseitig abgedichtet angeordneten
Dichtringe einen gemeinsamen Druckmedium-Kreislauf auf, wobei das Druckmedium die
einzelnen Kammern von dem dem Zylinderraum benachbarten Dichtring aus in Richtung
auf dem vom Zylinderraum entfernten Dichtring nacheinander durchläuft. Dabei sind
die Durchtrittsöffnungen für das Druckmedium zwischen den jeweils benachbarten Kammern
zweckmäßigerweise als Drosseln ausgebildet. Diese Ausführungsform ermöglicht ein
Abfallen des Anpreßdrucks ii den einzelnen Dichtringen in Richtung vom Zylinderraum
weg.
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Um einen derart abfallenden Anpreßdruck zu erreichen, kann gemäß einer
anderen Ausführungsform jedem Dichtring ein eigener Druckmedium-Kreislauf mit jeweils
einem vom Druck in dem Kolbenspalt, der dem Zylinderraum zugewandt ist, beaufschlagbaren
Druckregler zugeordnet sein, wobei der Druck in den einzelnen Druckmedium-Kreisläufen
von dem dem Zylinderraum benachbarten Dichtring in Richtung auf den vom Zylinderraum
entfernten Dichtri'ng abnimmt.
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SchlieBlich kann der Druckregler jeweils auch durch eine Drossel mit
gewollter Leckage ersetzbar sein.
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Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines in der Zeichnung schematisch
dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert.
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Es zeigen: Figur 1 im Längsschnitt die Kolben-Zylindereinheit eines
Hochdruck-Trckenlaufverdichters mit einer erfindungsgemäßen Abdichtanordnung, Figur
2 eine Ansicht A aus Figur 1 und
Figur 3 im Detail einen erfindungsgemäßen
segmentförmig ausgebildeten Abdichtring in Draufsicht.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verdichter bewegt sich gemäß Figur 1 in
einem Zylinder 1 in Richtung des Doppelpfeils ein Kolben 2 hin und her. Der Kolben
2 weist vorzugsweise an seinem dem Kompressionsraum la zugewandten Ende einen mit
einem Gleitwerkstoff, insbesondere Teflon, beschichteten Führungsabschnitt 2a auf.
Der Führungsabschnitt 2a ist, wie auch in Figur 2 näher veranschaulicht, längs seines
Umfangs mit einer Anzahl Aussparungen 3 versehen, welche es ermöglichen, daß in
dem Spalt 4 zwischen Zylinder 1 und Kolben 2 immer der gleiche Druck wie im Kompressionsraum
la herrscht. An seinem vom Kompressionsraum la entfernten Ende ist der Kolben 2
mittels eines im Zylinder 1 vorgesehenen Führungsringes 5 geführt. Zwischen oberer
2a und unterer 5 Führung des Kolbens 2 befindet sich eine erfindungsgemäße Zylinder-Dichtringanordnung
6, welche im Folgenden näher beschrieben wird.
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Bei der erfindungsgemäßen Zylinderdichtring-Anordnung 6 befinden sich
in den Kammern 6a, 6b, 6c eines entsprechend ausgebildeten Zylinderabschnitts lb
drei Dichtringe 7, 8, 9. Die Dichtringe 7, 8, 9 sind, we auch aus Figur 3 ersichtlich,
segmentförmig ausgebildet, sodaß sie mittels eines sie umgebenden, in den Kammern
6a, 6b, 6c befindlichen Druckmediums, beispielsweise Wasser, gegen den Kolben 2
radial angedrückt werden. Die Dichtringe 7, 8, 9 bestehen aus Teflon.
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Das Druckmedium durchströmt in einem eigenen Kreislauf den die Dichtringe
7,8,9 umgebenden Raum der Kammern 6a, 6b, 6c. In der Zeichnung sind der besseren
Übersichtlichkeit halber jedoch lediglich nur noch die Eintrittsleitung 10 und die
Austrittsleitung 11 des Druckmedium-Kreislaufs dargestellt. Im übrigen sind die
Wände zwischen den einzelnen Kammern 6a, 6b, 6c mit Durchtrittsöffnungen lla versehen,
die derart angeordnet sind, daß sich ein optimaler Kreislauf durch aen ZylinderaDschnitt
1b ergibt.
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Die einzelnen Dichtringe 7, 8, 9 sind jeweils an ihren Stirnseiten
mittels 0-Ring-dichtungen 12 gegen die Wände der Kammern 6a,6b,6c
abgedichtet.
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Im Druckmediumkreislauf ist erfindungsgemäß ein vom Druck in dem Kolbenspalt
4 über eine Leitung 13a beaufschlagbarer Druckregler 13 angeordnet. Der Druckregler
13 regelt den Druck des Druckmediums in Ibhängigkeit vom jeweiligen dem Druck im
Zylinderraum la entsprechenden Druck im Spalt 4 derart, daß der Anpreßdruck der
Dichtringe 7, 8, 9 gegen den Kolben 2 gerade so groß wie, für eine ausreichende
Abdichtwirkung erforderlich ist. Das heißt insbesondere, daß der Anpreßdruck während
des Kompressionshubes mit zunehmender Verdichtung ebenfalls zunimmt und während
des Ansaughubes wieder abnimmt. Vorzugsweise wird mittels des Druckreglers 13 der
Druck des Druckmediums derart gewählt, daß das Produkt aus radialem Anpreßdruck
p frp/cm2J des jeweiligen Dichtrings 7, 8, 9 gegen den Kolben 2 und der Kolbengeschwindigkeit
v tm/sec 1 vier beträgt.
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Wie aus Figur 1 zu ersehen, durchströmt das Druckmedium die einzelnen
Kammern 6a, 6b, 6c von dem dem Zylinderraum am nächsten liegenden Dichtring 7 aus
in Richtung auf den vom Zylinderraum la entfernten Dichtring 9 nacheinander. Es
ist erkennbar, daß dabei das Druckmedium längs seines Strömungsweges einen Druckabfall
erfährt, welcher noch dadurch erhöht werden kann, daß, die Durchtrittsöffnungen
lla als Drosseln ausgebildet sind. Die so erreichte Abstufung des Abdicht-Anpreßdrucks
von einem maximalen Wert bei dem dem Zylinderraum la benachbarten Dichtring 7 bis
zu dem vom Zylinderraum la am weitesten entfernten Dichtring 9 entspricht der in
dieser Richtung erforderlichen Abdichtwirkung.
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In dem Druckmedium-Kreislauf ist im übrigen eine in der Zeichnung
nicht dargestellte Einrichtung zur Kühlung des Druckmediums angeordnet. Durch Kühlung
des Druckmediums werden die Dichtringe 7, 8, 9 gekühlt, sodaß diese auch bei höchsten
Kompressionsdrücken und den'daraus resultierenden hohen Kolbentemperaturen funktionsfähig
bleiben. Im übrigen ist es noch möglich, auch die Oberfläche des Kolbens 2 an der
Abdichtstelle dadurch zu kühlen, daß durch die umlaufenden freien Räume 14 zwischen
den Wänden der
Kammern 6a, 6b, 6c und dem Kolben 2 während des Kompressorbetriebs
Kühlwasser hindurchgepumpt wird.
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Der Vollständigkeit halber sei noch erwähnt, daß die einzelnen Dichtringe
7, 8, 9 in ihren Kammern 6a, 6b, 6c derart gegeneinander verdreht angeordnet sind,
daß die Stöße der einzelnen Ringsegmente jeweils benachbarter Dichtringe 7, 8, 9
gegeneinander versetzt sind.
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Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel, bei welchem der Kompressionsenddruck
200 atÜ beträgt, ist die Weite des Kolbenspalts 4 zweckmäßigerweise 0,1 bis 0,2
mm. Der Kolbenhub beträgt 80 mm.
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Es soll noch darauf hingewiesen werden5 daß es nicht zwingend erforderlich
ist, daß der Dichtring-Anpreßdruck mittels des Drucks im Kolbenspalt desselben Zylinders
gesteuert wira. Die Erfindung umfaßt nämlich grundsätzlich auch Dichtanordnungen,
bei welchen die Steuerung des Anpreßdrucks beispielsweise über den Druck im Kolbenspalt
einer anderen, insbesondere vorhergehenden, Kompressorstufe sWuerbar ist. In diesem
Fall kann der Druckregler unter Umständen entfallen. Im übrigen kann die Steuerung
des Anpredrucks sowohl unmittelbar als auch mittelbar durch das im Kolbenspalt befindliche
Gas erfolgen.