DE2702428A1 - Dichtungsanordnung fuer den einschluss der bei einer stirling-maschine verwendeten, ein niedriges molekulargewicht besitzenden gase - Google Patents

Dichtungsanordnung fuer den einschluss der bei einer stirling-maschine verwendeten, ein niedriges molekulargewicht besitzenden gase

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DE2702428A1 DE19772702428 DE2702428A DE2702428A1 DE 2702428 A1 DE2702428 A1 DE 2702428A1 DE 19772702428 DE19772702428 DE 19772702428 DE 2702428 A DE2702428 A DE 2702428A DE 2702428 A1 DE2702428 A1 DE 2702428A1
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Description

Patentanwälte
Möhlstraße 37 Nippon Piston Ring Co., Ltd. D-8000 München 80
Tokio, Japan Tel.: 089/982085-87
Telex: 0529802 hnkld
Telegramme: ellipsoid
Dichtungsanordnung für den Einschluß der bei einer Stirling-Maschine verwendeten, ein niedriges Molekulargewicht besitzenden Gase
Die Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung für die axial bewegbare Arbeits-Kolbenstange einer Stirling-Brennkraftraaschine.
Stirling-Maschinen haben in den letzten Jahren wegen ihrer hohen Drehmomentleistung, ihrer schadstoffannen Abgase, der geringen Geräuschentwicklung, des niedrigen Kraftstoffverbrauchs, des geringen Wartungsaufwände und ihrer langen Betriebslebensdauer im Vergleich zu herkömmlichen Ottomotoren zunehmend die Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Außerdem sind die thermischen Eigenschaften oder Kennlinien einer Stirling-Maschine denen einer üblichen Brennkraftmaschine gleich oder überlegen, da bei einer Stirling-Maschine anstelle von Luft Wasserstoff oder Helium als Arbeitsmedium verwendet wird, wodurch die Temperatureigenschaften oder -kennlinien der V/ärmetauscher wesentlich verbessert werden.
Ke/Bl/ro -
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Da das Arbeitsmedium Wasserstoff oder Helium jedoch vergleichsweise kleine Moleküle besitzt, ist die einwandfreie Abdichtung einer Stirling-Maschine schwierig. Bisherige StirlingvMaschinen zeigten große Undichtigkeit im Bereich zwischen Zylinderwand und Arbeits-Kolbenstange. Übliche soge "Roll-sox"-Dichtungen sind zwar ziemlich wirksam, doch sind ihre Standfestigkeit und Temperaturbeständigkeit aufgrund der bei ihnen verwendeten Werkstoffe unzufriedenstellend.
Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung einer dichten, dauerhaften bzw. standfesten Gleitdichtungsanordnung für die Arbeits-Kolbenstange einer Stirling-Maschine.
Diese Aufgabe wird bei einer Dichtungsanordnung für den Einschluß der bei einer Stirling-Maschine o.dgl, verwendeten, ein niedriges Molekulargewicht besitzenden Gase, wobei die Stirling-Maschine o.dglβ einen Arbeitszylinder, einen in diesem hin- und hergehend geführten Arbeits-Kolben und eine axial bewegbare, mit dem Kolben verbundene und aus einer Zylinderöffnung herausragende Arbeits-Kolbenstange aufweist, erfindungsgemäß gelöst durch eine die Kolbenstange unmittelbar unter der Zylinderöffnung umschließende Blockdichtungseinrichtung und durch eine die Kolbenstange unter der Blockdichtungseinrichtung umschließende Flüssigkeitsdichtungseinrichtung«,
Die erfindungsgemäße Dichtungsanordnung ist in zwei Hauptteile unterteilt, nämlich in einen Blockdichtungsteil und einen Flüssigkeitsdichtungsteil, Der Druck des Arbeitsmediums wird zunächst im Biockdichtungsteil reduziert, worauf das Arbeitsmedium im Flüssigkeitsdichtungsteil effektiv abgedichtet wird,, Bei Verwendung lediglich einer Gleitdichtungsvorrichtung ist es nötig, für die Gewährleistung einer sicheren Abdichtung eine ziemlich lange Kolbenstange zu verwenden. Erfindungsgemäß wird dagegen die Dichtungs-Standfestigkeit
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erheblich verbessert, wobei aufgrund der beiden getrennten Block- und Flüssigkeitsdichtungsteile eine kurze Arbeits-Kolbenstange verwendet werden kann. Infolgedessen kann die Gesamtgröße der Stirling-Maschine verkleinert werden· Dabei sieht die Erfindung auch die Schaffung eines RUckführ- bzw. Umströmsystems für das aus dem Biockdichtungsteil herausleckende Arbeitsmedium vor. Dieses entweichende Arbeitsmedium wird in einer einzigen Stufe komprimiert und innerhalb einer vorbestimmten Zeitspanne zum Zylinderraum zurückgeführt. Erfindungsgemäß ist also die Anordnung einer mit dem Blockdichtungsteil zusammenwirkenden Arbeitsmedium-Rückführkonstruktion vorgesehen, durch die eine vollständigere Abdichtung erreicht wird. Diese Konstruktion ist zwar kostengünstig, doch wirkungsvoll für die Rückführung des aus dem Zylinderraum herausleckenden Arbeitsmediums vom Blockdichtungsteil zum Zylinderraum zurück. Die erfindungsgemäße Dichtungsanordnung kann daher bei einer Stirling-Maschine Anwendung finden, bei der im Arbeitsmedium verhältnismäßig kleine Moleküle vorhanden sind, wobei es weiterhin möglich ist, unter Verwendung nur einer einzigen Verdichterstufe einen wirkungsvollen und wirtschaftlichen Rückführzyklus oder -takt zu gewährleisten.
Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Schnitt durch eine Dichtungsanordnung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 2 eine Aufsicht auf einen im Blockdichtungsteil gemäß Fig. 1 verwendeten Dichtunge-Packungsring,
Fig. 3 ein Blockdiagramm der Rückführanordnung für herausdringendes Arbeitsmedium und
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<φ
Fig. 4 eine graphische Darstellung des Verhältnisses von Kurbelwinkel-Zeit zu Druck für die Rückführung des Arbeitsmediums,
Fig. 1 veranschaulicht den Abschnitt unter dem Zylinderraum z.B. einer Verdrängerkolben-Stirling-Maschine mit einer nach unten abgehenden Arbeits-Kolbenstange 1. Ein erster Blockdichtungsteil 2 weist dabei eine Büchse 20, einen Abstreifring (breaker ring) 21 sowie Gruppen von um den Umfang der Kolbenstange 1 herum angeordneten Dichtblöcken 22 auf. Der Abstreifring 21 ist praktisch schmierungsfrei, und er verhindert zusammen mit der Büchse 20 einen vorzeitigen Austritt von Arbeitsmedium. Die Ring-Büchse und der Abstreifring dienen auch zur Herabsetzung des auf den Bio ckdi chtungs teil einwirkenden Lastdrucks,,
Die Dichtblöcke 22 weisen jeweils einen Kolbenstangen-Pakkungsring 220 und einen Stützring 221 auf, von denen ersterer in Dichtungsberührung mit der Kolbenstange 1 steht. Der am Packungsring 220 anliegende Stützring 221 dient als Schutz für den Fall, daß der benachbarte Packungsring 220 abgenützt ist und zusammenfällt. Gemäß Fig. 2 weist jeder Packungsring 220 mehrere Radialschlitze auf, wobei die einzelnen Ringsegmente durch eine in einer Ringnut um den Außenumfang des Rings herum angeordnete Schraubenfeder 224 gegen die Kolbenstange 1 angedrückt werden, so daß ein Austreten des Arbeitsmediums in Axialrichtung der Kolbenstange 1 verhindert wird und sich die Kolbenstange gleichzeitig aufgrund der Kombination aus der ringförmigen Schraubenfeder und den getrennten Segmenten der Packungsringe 220 gleichmäßig bzw« ruckfrei hin- und herzubewegen vermag.
Zahl, Zusammensetzung, Konfiguration usw, der Dichtblöcke sind je nach Art, Temperatur, Druck und dgl· des Arbeitsmediums entsprechend wählbar. In Fig. 1 sind nur zwei solche
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Dichtblöcke 22 dargestellt. Es ist jedoch auch möglich, eine beliebige Zahl von Dichtblöcken 22 in jeder beliebigen Reihenfolge unter Zwischenfügung von Trennstücken 225 vorzusehen.
Wasserstoff, Helium o0dgl0, das durch den Blockdichtungsteil hindurchtritt, erreicht den Flüssigkeitsdichtungsteil 4«, Es ist jedoch zweckmäßig, zwischen beiden Dichtungsteilen eine erweiterte Druckminderkammer 3 vorzusehen, um die Leckage zwischen Zylinderraum und Druckminderkammer zu steuern und den Druck des austretenden Arbeitsmediums zu senken. Danach trifft etwa austretendes Arbeitsmedium auf eine Gasdichtung aus Kolbenstangen-Dichtungspackungen 50 in einem Mittelteil 5 der Anordnung, in welchem auch ölabstreifringe 51 vorgesehen sind.
Die Abstreifringe 51 liegen an der Kolbenstange derart an, daß sie den Austritt von Flüssigkeit aus einer Flüssigkeitsdichtungskammer 6 verhindern, die sich unmittelbar unter dem Mittelteil 5 befindet. Die Flüssigkeit in der Kammer 6 haftet an der Kolbenstange an und wird bei deren Aufwärtshub mit ihr nach oben mitgenommen.
Durch den Mittelteil 5 hindurchtretendes Arbeitsmedium gelangt in die Flüssigkeitsdichtungskammer 6 hinein. Eine Flüssigkeit-Enddichtungsanordnung 7 unterhalb der Kammer 6 umfaßt einen Dichtring 70, einen O-Ring 71, ein Zwischenstück 72, eine V-Packung 73 und einen Zwischenring 74, obgleich die genannte Reihenfolge dieser Bauteile variabel ist«
Das durch den Blockdichtungsteil 2 und den Mittelteil 5 der Anordnung hindurchtretende Arbeitsmedium wird schließlich durch die Flüssigkeitsdichtungskammer 6 vollständig abgedichtet. Die in dieser Kammer vorhandene Flüssigkeit muß eine geringe Affinität für das Kolbenstangenmaterial, eine hohe
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Viskosität und eine große Oberflächenspannung besitzen; zu diesem Zweck kann Quecksilber oder öl verwendet werden.
Wenn die Maschine in Betrieb gesetzt wird, beginnt sich die Kolbenstange hin·» und hergehend zu bewegen« Beim Abwärtshub der Kolbenstange nimmt der Druck im Zylinderraum unter dem (Arbeite-)Kolben zu, so daß das Arbeitsmedium auszutreten beginnt. Die erste Stufe der Leckabdichtung wird durch die Dichtblöcke 22 gebildet, welche den Druck des austretenden Arbeitsmediums im unteren Ende des Blockdichtungsteils 2 erheblich senken. Etwa über die Kammer 3 hinweg entweichendes Arbeitsmedium mit verringertem Druck wird durch den vom Anordnungs-Mittelteil 5, von der Flüs si gke itsdi chtungs kammer 6 und der Flüssigkeitsdichtungsanordnung 7 gebildeten Flüssigkeitsdichtungsteil k vollständig zurückgehalten» Der Flüssigkeit aus der Kammer 6 mitnehmende Teil der Kolbenstange wird bei deren Aufwärtshub durch den mit seiner einen Fläche mit der Kolbenstange in Berührung stehenden ölabstreifring 51 abgestreift. Aufgrund dieser Ringanordnung wird die Mitnahme der Flüssigkeit nach oben effektiv verhindert. Wenn die Maschine in ein Schiff eingebaut ist, wo die Flüssigkeitsdichtungskammer bei der Rollbewegung des Schiffs in Schwingung oder in Schräglage geraten kann, wird vorzugsweise ein koaxialer Ringnapf 61 um den Mittelteil der Kolbenstange herum angeordnet, um den Austritt der Flüssigkeit nach außen« d.h. von der Kolbenstange hinweg, zu verhindern. Im Napf sind Bohrungen 62 vorgesehen, über welche die Flüssigkeit in den Napf eintreten kann.
Ein wesentliches Merkmal der Erfindung besteht in einem Rückführ- oder Rücklaufsystem, durch welches das in die verschiedenen Bereiche des Blockdichtungsteils 2 eindringende Arbeitsmedium zum Zylinderraum zurückgeführt wird. Dieses Rückführsystem ist in Fig, 3 schematisch dargestellt. Das heraussickernde Arbeitsmedium wird dabei vom Blockdichtungs-
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teil über eine RUckführleitung 31 in einen Verdichter C eingeführt. Das unter einem Rückführdruck Pa, der im Verdichter um einen Betrag <x erhöht wird, stehende verdichtete Arbeitsmedium wird in den Zylinderraum zurückgeführt, wenn ein Steuerventil TV offen ist. Der Rückführdruck bestimmt sich nach folgender Gleichung:
Pa = Pv + cc
in welcher Pv den Leckdruck und
ot die durch den Verdichter bewirkte Druckerhöhung
bedeuten.
Das Steuerventil wird unter der Steuerung durch einen Druckfühler P oder einen Kurbel(wellen)Winkelfühler R entsprechend geöffnet und geschlossen.
Wenn die Maschine über einen längeren Zeitraum hinweg im Betrieb steht, kann zusätzliches Arbeitsmedium von einem Nachfüll- oder Vorratsbehälter T her zugeführt werden. Das zwischen die Biockdichtungsgruppeη eingeschaltete Rückführrohr 31 verläuft dabei über die Druckminderkammer gemäß Fig. nach außen. Wenn sich die Stelle, an welcher das Rückführrohr 31 mit den Blockdichtungsgruppen verbunden ist, in der Nähe des Zylinderraums befindet, ist es vorteilhaft, eine zweckmäßige Rückführ- bzw. Umströmtaktsteuerung Tc (Pig· 4) in bezug auf die (Arbeite-)Kolbentakte oder den Zylinderraumdruck Pc vorzunehmen. Dies bedeutet, daß das Arbeitsmedium immer dann am wirkungsvollsten in den Zylinderraum zurückgeführt werden kann, wenn der Rückführdruck Pa um einen Druckbetrag entsprechend oder größer als «. höher ist als der Zylinderraumdruck Pc.
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-ßr-
Im Fall eines hohen Leckdrucks Pv muß die Leistung des Verdichters berücksichtigt werden, weil ein schwerer oder starker Verdichter zu aufwendig und für eine Dichtungsanordnung dieser Art unerwünscht ist. Aus diesem Grund empfiehlt es sich, das Rückführrohr 31 möglichst weit vom Zylinderraum anzuordnen. Die optimalen Verdichterbedingungen lassen sich wie folgt bestimmen:
(a) Wenn das Verdichtungsverhältnis £ mehr als 2 beträgt, wird im allgemeinen Verdichtungswärme erzeugt, so daß die Verdichterzylinder mit Wasser gekühlt werden müssen.
(b) Wenn ΔΡ = Pa - Pv zu groß ist, muß ein mehrstufiger Verdichter angewandt werden.
Bezüglich der Bedingung (a) ist im Fall von £ 1 2 ein luftgekühlter Verdichter aus Kostengründen zweckmäßig. Im Hinblick auf Bedingung (b) ist - wiederum aus Kostengründen - ein einstufiger Verdichter vorteilhaft, weshalb ^P innerhalb des Leistungs- bzw. Arbeitsbereichs eines einstufigen Verdichters festgelegt wird. Wenn beispielsweise der Zylinderraumdruck Pc und der Leckdruck Pv 120 kg/cm bzw. 2 kg/cm betragen, ist ein mehrstufiger Verdichter erforderlich, der unzulässig teuer ist. Infolgedessen wird £, ~ 2 als das hochstzulässige Verdichtungsverhältnis für einen einstufigen, luftgekühlten Verdichter vorausgesetzt, wobei auch vorausgesetzt wird, daß der VerdichtungsVorgang adiabatisch abläuft.
Bei gemeinsamer Betrachtung der obigen Faktoren läßt sich das Druckverhältnis Pv : Pa wie folgt bestimmen:
Pv.WK = Pa.VaK und Pa/Pv = (Pv/Va)K
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worin bedeuten:
Vv das Volumen vor der Verdichtung und Va das Volumen nach der Verdichtung
Ferner ist
£~ das Verdichtungsverhältnis Vv/Va = 2 und entspricht K einem adiabatischen Index = 1,4.
Demzufolge gilt: Pa/Pv = 21>Zf = 2,63 und mithin
Pv/Pa = 0,38.
Wenn daher der Rückführdruck 100 kg/cm2 beträgt, liegt der Leckdruck bei 38 kg/cm · Der Rückführdruck Pa zum Zylinderraum muß höher sein als der Zylinderraumdruck Pc. Aus diesem Grund kann das Leckmedium immer dann zum Zylinder zurückgeführt werden, wenn der Zylinder-, d.he Kalt- oder Arbeitsraumdruck Pc unter 100 kg/cm li<
Fig. 4 angedeutet ist.
Pc unter 100 kg/cm liegt, wie dies im schraffierten Teil von
Es ist ziemlich einfach, die Arbeitsmediumrückführung oder -umströmung um den Mitteldruck herum zu steuern, weil die Zylinderraumdruck-Kurve gleichmäßig periodisch verläuft. Vorteilhaft wird die Rückführtaktdauer Tc in den Bereich des
Mitteldrucks von <100 kg/cm verlegt, weil die Leckage in diesem Bereich verhältnismäßig gering ist und es daher ausreicht, einen kleinen, einstufigen, luftgekühlten Verdichter zu benutzen. Andererseits ist es unzweckmäßig, den Rückführtakt ausschließlich auf äußerst niedrige Zylinderraumdrücke festzulegen, weil deren Dauer verhältnismäßig kurz ist.
Obgleich die Erfindung vorstehend in Verbindung mit einer Stirling-Mas chine beschriebenlst, ist sie auf für den Fachmann
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Al,
ersichtliche Weise gleichermaßen auf andere Antriebs- oder Brennkraftmaschinen anwendbar, bei denen ähnliche Betriebsprobleme auftreten.
Zusammenfassend wird mit der Erfindung also eine Dichtungsanordnung für eine Stirling-Maschine geschaffen, bei welcher unterhalb des Zylinderraums um die Arbeits-Kolbenstange 1 herum ein Blockdichtungsteil 2 und ein Flüssigkeitsdichtungsteil A angeordnet sind, von denen letzterer eine mittlere Ülabstreifeinheit 5, eine Flüssigkeitskaramer 6 und einen Flüssigkeitsdichtungsteil 7 aufweist. Alle etwa durch den Blockdichtungsteil hindurchtretenden Gase werden durch den Flüssigkeitsdichtungsteil zwangsläufig zurückgehalten. Außerdem werden die Leckgase vom Blockdichtungsteil abgezogen, verdichtet und über ein zeit- oder taktgesteuertes Ventil während der Niederdruckperioden des Druckzyklus unterhalb des Arbeitskolbens in den Zylinderraum zurückgeführt.
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L e e r s e i t

Claims (1)

  1. Patentansprüche
    11.!Dichtungsanordnung für den Einschluß der bei einer Stirling-Maschine o.dgl« verwendeten, ein niedriges Molekulargewicht besitzenden Gase, wobei die Stirling-Maschine o.dgl, einen Arbeitszylinder, einen in diesem hin- und hergehend geführten Arbeitskolben und eine axial bewegbare, mit dem Kolben verbundene und aus einer Zylinderöffnung herausragende Arbeits-Kolbenstange aufweist, gekennzeichnet durch eine die Kolbenstange (1) unmittelbar unter der Zylinderöffnung umschließende Blockdichtungseinrichtung (2) und durch eine die Kolbenstange unter der Blockdichtungseinrichtung umschließende Flüssigkeitsdichtungseinrichtung
    2, Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Blockdichtungseinrichtung (2), in der angegebenen Reihenfolge, eine Büchse (20), einen Brech- oder Abstreifring (21), mindestens einen Packungsring (220) und mindestens einen Stützring (221) aufweist, daß der Packungsring aus mehreren geteilten Ringsegmenten gebildet ist, die durch eine um ihren Außenumfang herum angeordnete, insbesondere ringförmige Schraubenfeder nach innen vorbelastet sind, und daß die Flüssigkeitsdichtungseinrichtung (4), in der angegebenen Reihenfolge, einen Flüssigkeitsabschlußteil mit mindestens einem Flüssigkeit-Abstreifring (51)> einen Flüssigkeitsbehälter (6) und Dichtungsmittel zur Verhinderung eines Austritts von Flüssigkeit aus dem Behälter aufweist,
    3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Leckgas-Rückführ- oder -Umströmsystem mit einer mit der Blockdichtungseinrichtung verbundenen Rückführleitung zum Abführen des in das Rückführsystem eintretenden Gases, einem Verdichter, dessen Eingang an die Rückführleitung und
    709 8 30/0731
    ORIGINAL INSPECTED
    Λ'
    dessen Auslaß oder Ausgang über ein Steuerventil unter dem Kolben an den Arbeitszylinder angeschlossen ist, und einer Einrichtung zum Öffnen des Steuerventils, wenn der Zylinderdruck unterhalb des Kolbens unter einen vorbestimmten Wert abfällt, vorgesehen ist.
    4, Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Öffnen des Steuerventils ein Druckfühle relement aufweist.
    5. Anordnung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Öffnen des Steuerventils ein Kurbel-(wellen)winkel-Taktsteuerelement aufweist.
    709830/0731
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