DE2422015C3 - Ungeteilter Kolben mit Dichtungsund Führungsringen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen ungeteilten Kolben der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.

Die bisher bekannten und angewendeten Kolbensätze geben keine Gewähr für eine vollständige Dichtigkeit, insbesondere im Raum der Dichtungsringstöße, vorzugsweise bei schmierungsfreien Verdichtern, und zwar wegen der beträchtlichen Spiele zwischen dem Kolben und Zylinder, die der Arbeitsweise der aus nichtmetallischem Werkstoff, z. B. Polytetraflouräthylen mit die Reibungs-Verschleißeigenschaften verbessernden Füllstoffen, erzeugten Kolbenringe zuzuschreiben sind. Diese Spiele, die mehrfach größer sind als die Spiele zwischen Zylinder und Kolben mit Metallringen, bei denen der Kolben geschmiert wird, können oft einige Millimeter betragen. Sie haben einen entscheidenden Einfluß auf den Schutz des Zylinders und des Kolbens vor gegenseitigem Kontakt. Eine Berührung zwischen dem Zylinder und dem Kolben führt zur mechanischen Beschädigung der zusammenarbeitenden Flächen des Zylinders und der Kolbenringe. Dabei wird die aus dem Verschleißprodukt der nichtmetallischen Kolbenringe am Zylinder entstandene Filmschicht zerstört, wodurch der Verdichter störanfällig wird. Je größer das Spiel zwischen Zylinder und Kolben ist. umso größer ist die Zugabe für den Verschleiß des Führungsringes. Umso länger ist damit auch seine Lebensdauer. Je größer aber das Spiel ist, desto größer wird auch die Undichtigkeit und desto größer werden auch die schädlichen Räume und die damit verbundenen Energieverluste.

Da bedeutende Spiele zwischen Zylinder und Kolben unentbehrlich sind, hat die Einschränkung der Undichtigkeit im Raum der Dichtungsringstöße große Bedeutung. Daher werden auch in der Praxis Dichtungsringstöße unterschiedlichster Konstruktion verwendet, wie überlappende Stöße mit rechteckigem oder trapezartigem Querschnitt gerader oder schräger Bauart. Empfohlen wird dabei eine derartige Einstellung der Dichtungsringe gegenüber den benachbarten, daß auf diese Weise die Undichtigkeit auf ein Minimum beschränkt wird.

Dichtungsringe mit überlappenden Stoßen mit trapezartigem Querschnitt sind sehr kostspielig. Sie haben darüber hinaus nur einen äußerst geringen Dichtungseffekt.

Angewendet werden auch andere Konstruktionslösungen, bei denen die Dichtungsringe paarweise in einer Kolbennut montiert werden, wobei die Stöße dieser Ringe gegeneinander versetzt sind.

Die die Einstellung des Kolbens zum Zylinder bestimmenden Führungsringe werden als geteilte oder ungeteilte Ringe ausgeführt und in besonderen Nuten montiert, deren Form sich von der der für die Dichtungsringe bestimmten Nuten unterscheidet

Damit die geteilten Führungsringe, die die innere Walzfläche bestimmen, am Boden der Kolbennut anliegen, werden im Kolben Nuten mit trapezartigem Querschnitt verwendet Eventuell werden in den Führungsringen »pezieile Umfangsnuten oder Radialnuten eingesetzt, die den Führungsring von einer dem Dichtungsring ähnlichen Arbeit entlasten.

Da die Führungsringe in anderen Nuten ais die Dichtungsringe montiert werden, haben sie grundsätzlich keinen Einfluß auf die Verbesserung der Dichtigkeit im Raum der Dichtungsringstöße, die mit zunehmendem Verschleiß der Ringe vergrößert werden. Sie haben weiter auch keinen Einfluß auf eine Verbesserung der Arbeitsbedingungen der Dichtungsringe, insbesondere beg-enzen sie in keinem Fall die plastische Verformung der Stirnflächen der Dichtungsringe.

Diese Undichtigkeiten sind mit großen Energieverlusten verbunden, insbesondere bei der Verdichtung von Gasen auf einen Druck in der Größenordnung von einigen hundert Atmosphären. In manchen Fällen ist es auch schwierig, die vorausgesetzten Arbeitsparameter einzuhalten, insbesondeic hinsichtlich Leistung und Druck.

Aus der DT-AS 11 29 019 ist ein Kolbenringsatz mit einem Führungsring bekannt, der als dünnwandige Hülse mit erheblicher axialer Länge ausgebildet ist und auf beiden Stirnseiten von je einem Dichtungsring flankiert wird. Dabei handelt es sich um einen geteilten oder geschlitzten Dichtungsring. Dieser geschlitzte Führungsring kann sich bei Verschleiß radial ausdehnen, so daß dadurch eine Vergrößerung des Stoßspiels eintreten muß und damit die Dichtwirkung verringert wird. Darüber hinaus weist die bekannte Ringanordnung keine Verdrehsicherung auf, so daß sich die Stöße überdecken können.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen ungeteilten Kolben mit einem Kolbenringsatz zu schaffen, der eine hohe Dichtigkeit gewährleistet und eine plastische Verformung der Dichtungsringe und damit den Verschleiß der Dichtungsringe verringert. Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs angegebenen Merkmale gelöst.

Trotz Verschleißes des Führungsringes an seiner äußeren Mantelfläche ändert sich das Arbeitsspiel an den Stoßen des Führungsringes bei der erfindungsgemäßen Ausführung nicht. Durch die Kugelstumpfform seiner vom Dichtungsring abgewandten Stirnfläche und durch die komplementär dazu geformte Stirnfläche der Nut wird nämlich erreicht, daß der bzw. die Stöße des Führungsrings stets aneinandergepreßt werden und praktisch keine Stoßfuge auftritt Da ferner der Dichtungsring mit seiner vom Kolbenboden, d. h. von der Druckraumseite des Zylinders abgewandten Stirnfläche unmittelbar an dem Führungsring anliegt, wird gleichzeitig erreicht, daß der Führungsring die plasti-

sehe Verformung der Stirnflächen des Dichtungsrings begrenzt und somit dem Verschleiß des Dichtungsrings entgegenwirkt Auf diese Weise bleibt auch bei langer Betriebsdauer eine gute Dichtung Inhalten. Darüber hinaus kann bei der erfindungsgemäßen Ausführung auf Mitte! verzichtete werden, um eine Relativbewegung der Ringe zu vermeiden. Selbst wenn nämlich der Stoß bzw. die Stöße des Dichtungsrings bei Betrieb mit dem Stoß bzw. den Stoßen des Führungsrings fluchten sollten, vird doch wegen des fugenlosen Aneinanderliegens der Stöße des Führungsrings auch in einem solchen Fail für eine ausgezeichnete Dirhtwirkung gesorgt

Dank dem Anliegen der Stirnflächen der Dichtungsringe an die der Führungsringe, sind also die freien Räume zwischen den Dichtungsringstößen, welche die Undichtigkeiten verursachen, durch die Stirnflächen der Führungsringe abgeschirmt wodurch die unerwünschten Spiele eingeschränkt werden. Überdies wird, da der z. B. aus Polytetraflouräthylen erzeugte, gegen Formänderung anfällige Dichtungsring mit seiner Stirnfläche an den z. B. aus Kohlen-Graphit-Werkstoff erzeugten Führungsring anliegt, der Dichtungsring gegen unerwünschte Formänderung seiner dem Führungsring berührenden Stirnfläche, insbesondere bei hohen Drucken des Arbeitsmittels, geschützt. Der Führungsring wird durch das Anliegen seiner kegelartigen Stirnfläche an der Nutfläche im Kolben gegen eine zusätzliche und unerwünschte Arbeit als Dichtungsring geschützt und an die Zylinderlaufbahn nur durch die Massenkräfte angepreßt.

Durch die erfindungsgemäße Lösung des ungeteilten Kolbenringsatzes werden insbesondere die Energievcrluste in schmierungsfreien Verdichtern durch Verminderung der Undichtigkeit im Raum der Dichtungs- wie auch der Führungsringstöße herabgesetzt.

Aus der GB-PS 2 62 716 ist zwar bekannt, einen Dichtungsring und einen zusätzlichen Ring in einer gemeinsamen Nut anzuordnen, wobei der zusätzliche Ring an einer Kegelstumpffläche anliegt. Im Gegensatz zu der dem erfindungsgemäßen Führungsring zugeordneten Funktion, die Lage des Kolbens gegenüber der Zylinderlauffläche zu fixieren und eine Undichtigkeit an den Dichtungsringstößen zu vermeiden, hat der zusätzliche Ring bei der bekannten Anordnung die Aufgabe, den Dichtungsring mit seiner Stirnfläche an die Stirnfläche der Nut anzupressen. Dazu muß der zusätzliche Anpreßring eine hohe Elastizität aufweisen. Gegenüber der Aufgabe und Funktion des erfindungsgemäßen Führungsrings hat der Anpreßring bei der bekannten Anordnung eine ganz andere Funktion und Wirkung; der Anpreßring dient nicht dazu, wie dies bei dem Führungsring der erfindungsgemäßen Anordnung der Fall ist die Lage des Kolbens gegenüber der Zylinderlauffläche zu fixieren und eine Undichtigkeit an den Ringstößen zu verhindern.

Ein Ausführungsbeispiel des ungeteilten Kolbensatzes mit geschnittenen Dichtungs- und Führungsringen für Maschinen und Apparate vorzugsweise in schmierungsfreien Hochdruck-Verdichtern, ist in den Zeichnungen dargestellt, wobei F i g. 1 die Ansicht eines Kolbens mit den Ringen, und F i g. 2 einen Teil der Druckseite, zur Hälfte im Querschnitt und zur Hälfte in Seitenansicht zeigt.

Wie aus den Zeichnungen zu ersehen ist, enthält der erfindungsgemäße Kolbenringsatz einen aus einem oder mehreren Segmenten bestehenden Dichtungsring 1 und einen aus einem oder mehreren Segmenten bestehenden Führungsring 2, die je eine kreiskegelförmige Stirnseite 3 haben, wobei jeder Führungsring mit dem Dichtungsring in Berührung steht und gemeinsam in einer Nut 4 des im Zylinder 6 angeordneten Kolbens montiert ist. Da in den meisten ungeteilten Kolbensätzen mehr Dichtungsringe 1 als Ringe 2 eingebaut sind, sind die Dichtungsringe, die keine Partner in Form von Führungsringen besitzen, in Nuten mit rechteckigem Querschnitt außerhalb der Nuten an den vom Druckraum weitest entlegenen Stellen des Kolbens 5 angeordnet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Ungeteilter Kolben, insbesondere für schmierungsfreie Hochdruck-Verdichter, mit mindestens einem Kolbenringsatz, der einen geteilten oder geschützten Dichtungsring und einen, vom Kolbenboden gesehen, hinter dem Dichtungsring und an diesem anliegend, in einer gemeinsamen Nut mit dem Dichtungsring angeordneten geteilten oder geschlitzten Führungsring umfaßt, der im Einbauzustand am Nutgrund anliegt und gleichzeitig periodisch die Zylinderlauffläche infolge der Arbeitsspiele berührt, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Dichtungsring (1) abgewandte Stirnfläehe (3) des Führungsrings (2) eine Kegelstumpffläche mit vom Dichtungsring weggerichteter Spitze und mit mindestens teilweise geradliniger Erzeugender ist, daß der Führungsring (2) so bemessen ist, daß der oder die Ringstöße im eingebauten Zustand des Ringes geschlossen sind, und daß er aus einem nichtmetallischem Werkstoff besteht, der eine höhere Verformungsbeständigkeit aufweist als der Werkstoff des Dichtungsrings (1).

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