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Hochdruckzylinder eines Gaskompressors oder -pumpe
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Hochdruckkompressoren oder -pumpen für die chemische Inaustrie müssen
heute mit Enddrücken von mehreren tausend kg/cm2 arbeiten. Die Zylinder derartiger
Maschinen sind daher enormen Beanspruchungen ausgesetzt, insbesondere deshalb weil
der Druck im Kompressionsraum ständig zwischen Enddruck und Saugdruck wechselt,
wodurch die Gefahr von Dauerbrüchen gegeben ist.
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Um diese Schwierigkeiten zu überwinden, sind Konstruktionen entwickelt
worden, bei denen die vom wechselnden Innendruck beanspruchten Teile als ein Paket
aufeinander geschichteter Ringe, Scheiben oder Büchsen ausgeführt sind. Durch die
einfache geometrische Form dieser Teile gelingt es, schroffe euerschnittsänderungen
zu vermeiden und durch Kerbwirkungen entstehende Spannungserhöhungen unschädlich
zu machen. Die Stirnflächen der Innenteile werden gelteppt und in Längsrichtung
aufeinander gepresst, so dass so eine metallische Dichtung entsteht.
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Um zu vermeiden, dass am inneren Durchmesser dieser Ringe oder Büchsen
eine unzulässig hohe Beanspruchung entsteht, müssen sie durch einen von aussen wirkenden
Gegendruck entlastet
werden. Diese Entlastung wird im allgemeinen
durch Aufschrumpfen eines äusseren Ringes oder einer äusseren Büchse erreicht.
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Zylinder der beschriebenen Bauart haben sich als sehr betriebssicher
erwiesen. Sie haben jedoch den Nachteil, dass insbesonders bei grossen Leistungen
der Aussendurchmesser der geschrumpften Ringe sehr gross wird und dass diese Teile
unhandlich werden. Es liegt daher nahe, den zur Entlastung erforderlichen Aussendruck
auf andere Weise z. B. durch einen geeigneten Gasdruck oder Öldruck zu erzeugen.
Tatsächlich sind eine Reihe von Vorschlägen bekannt geworden, die diesen Lösungsweg
verfolgen. Bekannt ist z. B. das schweizer Patent 127 847. Gemäss diesem Patent
wird ein von der Maschine selbst erzeugter Gasdruck als äusserer Entlastungsdruck
verwendet.
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Nachteilig ist bei dieser Bauart, dass eine eventuelle Undichtheit
der geläppten Flächen - die bei einem aufgeschrumpften Ring als austretender Leckverlsut
sofort zu erkennen ist-nicht kontrolliert werden kann.
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Nachteilig ist ferner, dass ein Kolbenkompressor seiner Natur nach
keinen konstanten, sondern einen pulsierenden Gasdruck erzeugt, wobei Druckschwankungen
in der Grössenordnung von + 10% durchaus wahrscheinlich sind. Der äussere Zylindermantel,
der den Gegendruck auszuhalten hat, steht also nun seinerseits unter wechselnder
Beanspruchung und diese wird an der Durchdringungsstelle der Querbohrung zur Führung
des Gasdruckes auf die Aussenseite durch Kerbwirkung ganz erheblich verstärkt. Mindestens
eine Querbohrung ist jedoch erforderlich, um den Aussendruck einleiten zu können,
und es besteht nunmehr die Gefahr von Dauerbrüchen an dieser Stelle.
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Gemäss eines Ausführungsform der genannten Patentschrift wird der
Gasdruck nicht direkt in den Aussenzylinder geleitet, sondern in ein geschlossenes
Gefäss, welches teilweise mit Öl gefüllt ist. Dadurch wird das Öl unter einen Druck
gesetzt, der genau dem Gasdruck entspricht, und wird nun anstelle des Gasdruckes
in den Aussenzylinder geleitet. Die Nachteile sind bei
dieser Ausführungsform
die gleichen wie bei der oben geschilderten Ausführung: eventuelle Leckverluste
der geläppten P'lächen können nicht erkannt werden und die wechselnden Beanspruchungen
an der Durchdringungsstelle der Zuführungsbohrung könnten zu Dauerbrüchen führen.
Ausserdem ist es unmöglich, den Ölvorrat im Druckgefäss von aussen zu kontrollieren-und
einen evtenbuellen Ölverlust rechtzeitig zu bemerken.
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Bekannt geworden ist ferner das schweizer Patent 248 919. Gemäss diesem
Patent werden die Innenteile unter einen Öldruck gesetzt, der von einer besonderen
Pumpe erzeugt wird und der durch ein Überdruckventil auf beliebige Höhe geregelt
werden kann. Bei dieser Bauart wird die Durchbruchgefahr an der Durchdringungsstelle
der Zuführungsbohrung vermieden, weil hier ein konstanter Druck herrscht und weil
somit Spannungsspitzen durch lokales Fliessen unschädlich abgebaut werden können.
Jedoch hat diese Bauart ebenfalls den Nachteil, dass Undichtheitsverluste an den
geläppten Flächen von aussen nicht erkannt werden können und ein weiterer Nachteil
besteht darin, dass die Ölpumpe und das Überdruckventil, die beide gegen sehr hohe
Drücke arbeiten müssen, teure und störanfällige Elemente darstellen.
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Bekannt ist ferner das schweizer Patent 375 473. Dieses Patent beschreibt
die Verwendung eines vom Kompressor selbst erzeugten Gasdrucks zur Erzeugung des
Aussendrucks in Kombination mit einer besonderen Anordnung der Schmierölzuführung
für die Hochdruckpackungen. Die Nachteile dieser Bauart sind dieselben wie bei dem
zuerst erwähnten Patent: innere Undichtigkeiten der geläppten Flächen können von
aussen nicht erkannt werden und, da der von der Maschine selbst erzeugte Gasdruck
pulsiert, besteht eine Dauerbruchgefahr an den Kerbstellen des Aussenzylinders,
die durch die Querbohrungen unvermeidlicherweise entstehen.
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Bekannt ist ferner das schweizer Patent 439,567, welches wiederum
die Verwendung eines von der Maschine selbst erzeugten Gasdrucks als Gegendruck
für die Inneteile beschreibt, diesmal kombiniert mit einer Einrichtung zur Wärmeabfuhr
der Innenteile.
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Diese Wärmeabfuhr wird dadurch erreicht, dass man die von der Maschine
geförderte Gasmenge über die ganze Länge der Innenteile strömen lässt. Da der Gasdruck
pulsiert, sind die Nachteile offensichtlich dieselben wie bei dem vorhergehenden
Patent und es besteht Dauerbruchgefahr.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Bauart; zu schaffen, bei der die
Innenteile durch einen ässeren Öldruck wirksam entlastet werden und bei der gleichzeitig
die oben erwähnten Nachteile anderer Bauarten, insbesondere die Dauerbruchgefahr
durch Kerbwirkungen, vermieden werden.
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Diese Aufgabe wird bei einem Hochdruckzylinder eines Gaskompressors
mit unter äusserem Öldruck stehenden Innenteilen erfindungsgemss dadurch gelöst,
dass Mittel vorgesehen sind, die den pulsierenden Enddruck oder Saugdruck in einen
etwas höheren konstanten Öldruck verwandelt.
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Ein Ausführungsbeispiel des Hochdruckzylinders ist in der einzigen
figur der Zeichnungen schematisch im ochnitt dargestellt.
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1 ist der durch einen nicht gezeigten Kurbelmechanismus hin-und herbewegte
Plunger. 2 sind eine Anzahl sogenannter Kammerringe, in denen Dichtringe 3 üblicher
Bauart gelagert sind und 4 ist die Zylinderbüchse. 5 ist das sogenannte Zentralventil,
für dessen Gestaltung auch andere Ausführungsformen bekannt sind. Bei diesem Zentralventil
erfolgt die Abführung des geförderten Gases in der Maschinenachse und die Zuführung
des angesaugten Gases erfolgt durch den Stutzen 6, der durch nicht dargestellte
Schrauben dichtend gegen das Zentralventil 5 gepresst wird. Die geläppten Stirnflächen
samtlicher Innenteile werden über das Verschlusstück 7 durch nicht dargestellte
Schrauben ebenfalls dichtena zusammengepresst. Alle diese Teile sind gelagert in
einen Aussenzylinder 8 Der Enddruck, dessen Höhe nach vorstehenden um ca. +10% schwankt,
wird durch eine enge Drosselstelle 9 in einen grossen Raum 10
geführt
und dadurch in einen gleichmässigen Druck verwandelt.
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Diesergleichmässige Druck im Raum 10 erzeugt einen gleichmässigen
Öldruck im Raum 11. Um eine Vermischung beider Medien zu vermeiden, ist der Gasraum
10 vom Ölraum 11 durch einen schwimmenden Kolben 12 getrennt, der mit einer kleinen,
nach aussen führenden Kolbenstange 13 verbunden ist. Infolgedessen ist die Kolbenfläche
auf der Ölseite um den Betrag der Stangenfläche 13 kleiner als die Kolbenfläche
auf der Gasseite und der Öldruck im Raum 11 wird infolgedessen ein wenig höher sein
als der gleichmässige Gasdruck 10. Durch einen Füllstückstutzen 14 kann das für
den Betrieb notwendige Ölvolumen eingefüllt werden.
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Dieser Öldruck wird in den Zylinder 8 eingeführt, wo er sich gleichmässig
über die ganze Länge verteilen kann, da die Innenteile 2, 4 und 5 mit entsprechenden
Nuten am äusseren Umfang versehen sind. Somit stehen alle Innenteile zwischen der
unteren Dichtung 15, der oberen Dichtung 16 und der Dichtung des Saugstutzens 17
iunter einem gleichmässigen Öldruck, der nicht pulsiert und der ein wenig höher
ist als der mittlere Gasdruck.
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Auf diese Weise werden Zugbeanspruchungen in den Innenteilen vermieden
und alle Beanspruchungen in den Druckbereich verlegt.
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Selbstverständlich entstehen unvermeidliche Spannungsspitzen an der
Durchdringungsstelle 18 des Saugstutzens und an der Durchdringungsstelle 19 der
Zuführung des Drucks. Diese Spannungsspitzen können sich aber unschädlich durch
lokales Fliessen abbauen, da der Öldruck nicht pulsiert. Infolgedessen ist die Gefahr
von Dauerbrüchen an Stellen 18 und 19 beseitigt.
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Da der Öldruck etwas höher ist als der Enddruck des Kompressors, werden
eventuelle Undichtigkeiten der geläppten Flächen sich in der Art auswirken, dass
Öl in das Innere der Maschine tritt.
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so dass das Ölvolumen im Raum 11 sich vermindert. Die Kolbenstange
13 wird also weiter heraustreten und das Vermindern dieses Ölvolumens anzeigen.
Es ist leicht möglich, mit dieser Anzeige einen Alarm beliebiger Art zu verbinden.
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Fig. 1 stellt selbstverständlich nur ein Ausführungsbeispiel dar,
um den Grundgedanke zu veranschaulichen, der auf verschiedene Art variiert werden
kann. So kann z. B. das Zentralventil in der Art ausgeführt werden, dass die Ansaugbohrung
in der Zylinderachse liegt und die Austrittsbohrung rechtwinklig dazu.
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Nach einer anderen Ausführung kann auch über die Drosselstelle 9 der
Ansaugdruck in den Raum 10 geleitet werden. Dabei muss man jedoch in Kauf nehmen,
dass während des Druckhubes in den Innenteilen teilweise Zugbeanspruchungen auftreten,
die jedoch durch entsprechende Dimensionierung in zulässigen Grenzen gehalten werden
können. Dafür kann aber die Wandstärke des Zylinders 8 verringert werden, da der
darin wirkende Druck kleiner ist. Auch hierbei ist eine Kontrolle der Dichtheit
der geläppten Flächen gegeben. Falls Leckverluste auftreten, würden sie nach aussen
gehen und damit das Volumen in der Kammer 11 scheinbar vergrössern, so dass wiederum
die Bewegung der Kolbenstange 13 diese Erscheinung aussen anzeigt. Selbstverständlich
müsste in diesem Falle der Ölraum 11 durch ein Sicherheitsventil oder eine Brechplatte
gegen unzulässiges Ansteigen des Druckes geschützt werden.
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Ansprüche:
L e e r s e i t e