DE7407805U - Hubkolbenmaschine, insbesondere Hochdruck-Trockenlaufverdichter, mit Dichtringanordnung - Google Patents

Description

Dipl.-lng. Peter Socha ^: · : · · : . : : ^:β "München 71 Patentanwalt Wflhelm-Buech-Straee 8

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⁸⁰PATENT

Bauer-Kompreeeoren Hans Bauer 8 München 7o, Wolfratshauserstraße 3I} - 36

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 formbeständigem Material, welcher zur Abdichtung des Kolbenspalto von außen radial gegen den Kolben gedrückt wird.

Um eine brauchbare Arbeitsweise von Hubkolbenverdichtern zu erhalten, muß bei diesen der Spalt zwischen Kolben und Zylinder, nachfolgend als 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

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vornehmlich durch den Gasdruck radial nach außen gegen den Zylinder gedrückt. Dabei wirkt insbesondere bei dem dem Zylinderraum benachbarten äußeren Kolbenring der volle Gasdruck aua dem Zylinderraum auf den Kolbenring und von diesem auf die Zylinderlaufbuchse. Es ist leicht einzusehen, daß sich hierdurch ein starker Kolbenring-■owie Zylinderverschleiß ergibt, wobei der Zylinderverschleiß im Bereich des oberen Totpunktes des Kolbens infolge der dort herrschenden hohen Temperaturen und Drücke bekanntermaßen seinen Höchst wert hat. Der bei der bekannten Kolbenringanordnung auftretende Verschleiß hat merkliche Energieverluste sowie schließlich einen Verlust an Dichtleistung zur Folge, wodurch sich Wirkungsgrad und Punktionssicherheit des Kompressors verringern.

Im Übrigen können im Kolben angebrachte Dichtringe nur dort verwendet werden, wo für die&e ausreichend Platz zur Verfügung steht. Dies ist jedoch insbesondere bei der Endstufe von Hochdruckverdichtern vielfach nicht der Pail, da bei diesen der Kolbendurehmesser oft zu klein zur Aufnahme von Dichtringnuten am Kolbenumfang ist. Zur Veranechaulichung dieser Tatsache sei beispielsweise angeführt, daß bei einem gebauten auf 200 atü verdichtenden Hochdruokkompressor der Kolbendurchmesser nur 20 mm betrug.

Nan hat daher bereits versucht, Dichtringanordnungen zu verwenden» die sich in der Zylinderwandung befinden. Diese bekannten Dichtringe sind geteilt ausgeführt und werter, durch Federn radial von außen gegen den Kolben gedrückt. Die Federv: üben dabei während des gesamten Verdichtungsverlaufs eine konstante Anpreßkraft auf den einzelnen Diohtring aus, die so groA ist wie sur Abdichtung bein 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 Dic^'S-ringan sowie den sich daraus ergebenden Folgen wie Wirkungsgrad-Verminderung und Herabsetzung der Funktionssicherheit des Kompressors führt.

Der vorliegenden Erfindung liegt ^ie Aufgabe zugrunde, eine ein-

fache und wirksame Hubkolbenmaschine, insbesondere Hochdruck-Trockenlauf vordicVier, mit wenigstens einem, vorzugsweise aegmentförraig ausgebildeten, Dichtring aus im wesentlichen formbeständigem Material, welcher zur Abdichtung des Kolbenspalts von außen radial gegen len Kolben gedrückt wird, zu schaffen, welche nicht die Nachteile der bekannten Hubkolbenmaschinen mit ihren >bdichtanordnungen aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Dichtring mittel«* eines Druckmediums gegen den Kolben gedrückt wird,

dessen Druek^mft^flxf ^reines Druckreglers, in Abhängigkeit vom jeweiligem Zylinderdruck einstellbar ist. Mit Vorteil bes,teht dabei der Dichtring aus einem Kunststoff, vorzugsweise -"Ssnifcet-, wobei der Druck des Druckmediums derart wählbar ist, daß das Produkt aus radialem Anpreßdruck ρ [kp/cm j des Dichtrings gegen den j Kolben und der Kolbangeschwindigkeit ν [m/sec] vorzugsweise j vier beträgt. Camäß einfr besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung strömt das Druckmedium in einem separaten Kreislauf, in welchem es kühlbar ist.

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 Zylinderraun, genau einzustellen. Wie leicht einzusehen, wird dabei die Anpreßkraft so gering wi^ 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. Als Druckmedium sind die verschiedensten Medien verwendbar, beispielsweise Luft, Gas odei· 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 ρ und ν stellt ein Maß für die Reibleistung bei der Dichtanordnung dar. Da sich andererseits die Reibleistung in

einer Erwärmung.äußert, ist die Einhaltung eines bestimmten ρ χ ▼ Verhältnisses vor allem bei Kunststoffen i"n 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 Ausfuhrungsform der Erfindung, bei welcher das Druckmedium in einen separaten Kreislauf strömt, in welchem es kühlbar ist, kontinierlich Wärme von den Dichtringen abführbar, wodurch die Punktionssicherheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung noch weiter erhöht wird.

Es ist zwar bereits grundsätzlich bekannt, eine Abdichtanordnung mit Hilfe eines Druckmediums von außen radial gegen einen Kompressor kolben 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. 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 BU 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. 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 vie bereits erwähnt auch eine bei der bekannten Anordnung nicht vorhandene Dichtringkühlung. Da die erfindungsgemäßen Dichtringe segmentförmig aufgeteilt sind, können diese auf einfache Weise grundsätzlich auch in einen an . der Diohtetelle ungeteilten Zylinder eingelegt werden.

Vorteilhafterweise ist der vom Druck in dem Kolbenepa?t, der dem Zylinderraum zugewandt ist, beaufschlagbare Druckregler im Druckmedium-Kreislauf angeordnet. Dies ermöglicht eine besondere exakte und schnelle Einstellung des Anpreßdrucks.

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 zweckmäßiger· weise als Drosseln ausgebildet. Diese AusfUhrungsform ermöglicht ein Abfallen des Anpreßdrucke hei den einzelnen Dichtringen in Richtung vom Zylinderraum weg.

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 Dichtring abnimmt.

Schließlich kann der Druckregler jeweils auch durch eine Drossel mit gew'ollter Leckage ersetzbar sein.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 im Längsschnitt die Kolben-Zylindereinheit eines Hochdruck-Trockanlaufverdichters mit einer erfindungsgemäßen Abdichtanordnung,

Figur 2 eine Ansicht A aus Figur 1 una

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Figur 3 im Detail einen erfindungsgemäßen segmentförmig ausgebildeten Abdichtring in Draufsicht.

Bei dom 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 FUhrung des Kolbens 2 befindet sich eine erfindungsgemäße Zylinder-Dichtringanordnung 6, welche im Folgenden näher beschrieben wird.

Bei der erfindungsgemäßen Zylinderdichtring-Anordnung 6 befinden sich in den Kammern 6a, 6b, 6c eines entsprechend ausgebildeten Zylinderabschnitts Ib drei Dichtringe 7, 8, 9· Die Dichtringe 7, 8, 9 sind, wie auch aus Figur 3 ersichtlich, segmentförmig ausgebildet, sodaß sie mittels eines sie umgebenden, in den Kammern 6&, 6b, 6c befindlichen Druckmediums, beispielsweise Wasser, gegen den Kolben 2 radial angedrückt werden. Die Dichtringe 7, β, 9 bestehen aus

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 Io und die Austrittsleitung 11 des Druckmedium-Kreislaufa dargestellt. Im übrigen sind die Wände zwischen den einzelnen Kammern 6a, 6b, 6c mit Durchtritteöffnungen 11a versehen, die derart angeordnet sind, daß sich ein optimaler Kreislauf durch den Zylinderabschnitt Ib ergibt.

Die einzelnen Dichtringe 7, 8, 9 3ind jeweils an ihren Stirnseiten mittels O-Ring-dichtungen 12 _f_:e^er\ die Wände der Kammern 6a,6b,6c

abgedichtet.

Im Druckmeaiunikreislauf 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 Abhängigkeit 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 fUr 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 i.us radialem Anpreßdruck ρ [kp/cm ] des jeweiligen Dicht/rings 7,0,9 gegen den Kclben 2 und der Kolbengeschwindigkeit ν [m/aec } vier beträgt.

Wie aus Figur 1 zu ersehen, durchströmt das Druckmedium die einzelnen Kanunern 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 no"h dadurch erhöht werden kann, daß die Durchtrittsöffnungen ila als Drocseln 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.

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 Kompressionsdrürken 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 frpien Räume I!) zwischen den Wänden der

Kammern 6a, 6b, 6c und dem Kolben 2 während des Kompressorbetriebe Kühlwasser hindurchgepumpt wird.

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.

Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel, bei welchem der Kompressionsenddruck 200 atü beträgt, ist die Weite des Kolbenspalts zweckmäßigerweise 0,1 bis 0,2 mm. Der Kolbenhub beträgt 80 mm.

Es soll noch darauf hingewiesen werden, daß es nicht zwingend erforderlich ist, daß der Dichtring-Anpreßdruck mittels des Drucks im Kolbenspalt desselben Zylinders gesteuert wird. Die Erfindung umfaßt nämlich grundsätzlich auch üichtanordnungen, bei welchen die Steuerung des Anpreßdrucks beispielsweise über den Druck im Kolbenspalt einer anderen, insbesondere vornergehenden, Kompressorstufe steuerbar ist. In diesem Fall kann der Druckregler unter Umständen entfallen. Im übrigen kann die Steuerung des Anpreftdrucks sowohl unmittelbar als auch mittelbar durch das im Kolbenspalt befindliche Gas erfolgen.

Claims (9)

MUnohen, 19. Juni 1974 G-ebrauchamus ter anmeldiong G 74 o7 8o5.o Bauer Kompressoren, Hans Bauer Neue Sohutzansprüohe

1. Hubkolbenmaschine, insbesondere Hochdruck-Trocken-r laufverdichter, mit wenigstens einem, vorzugsweise segmentförmig ausgebildeten, zur Abdichtung des Kolbenspalts von außen radial gegen den Kolben drückbaren Dichtring aus im wesentlichen formbeständigem Material, gekennzeichnet durch ein den Dichtring (7, 8, 9) umgebendes, insbesondere mit Hilfe einer Druckregelvorrichtung (13)> in Abhängigkeit vom jeweiligen Zylinderdruck druckmäßig einstellbares Druckmedium enthaltendes Gehäuse (1b).

2. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtring (7, 8, 9) aus einem Kunststoff, vorzugsweise Polytetrafluoräthylen, besteht.

3. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 1oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1b) je eine Eintrittsilo) und eine Austrittsleitung (11) aufweist, welche mit einem Druckmedium-Behälter verbunden sind, wobei in einer der beiden Leitungen (1o, 11) eine Kühlvorrichtung angeordnet ist.

4. Hubkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daü in dtr Eintrittsleitung (1o) erne vom Druck in dem dem Zylinderraum (1a)

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zugewandten Kolbenspalt (4) beaufschlagbare Druckregelvorriclitung (13) angeordnet ist.

5. Hubkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1,bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche/mit Snngaichtungei; (12) versehenen Dichtringe (7, S, 9) von einem gemeinsamen Gehäuse (1b) mit einer Eintritts- (1o) und einer Austrittsl^itung (11) umgeben sin"., wobei den einzelnen Dichtringen (7, 8, 9) jeweils eine Kammer (6a, 6b, 6c) zugeordnet ist, welche untereinander mittels Durchtrittsöffnungen (1'Ia) in offener Verbindung stehen.

6. Hubkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadv.rch gekennzeichnet, daß die Durchtrittsöffnungen (11al als Drosseln ausgebildet sind.

7. Hubkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die/mit Ringdichtungen (12) versehenen Dichtringe (7? 8, 9) von einem Gehäuse umgeben sind, wobei den einzelnen Dichtringen (7, 8, 9) jeweils eine Kammer zugeordnet ist und die einzelnen, in Richtung auf den vom Zylinderraum (la) abnehmenden Innendruck aufweisenden Kammern jeweils mit einer mit einem Druckmedium-Behälter verbundenen Eintritts- und Austrittsleitung versehen sind.

8. Hubkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckregelvorrichtung (15) jeweils durch eine Drossel mit gewollter Leckage ersetzbar ist.

9. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2, insbesondere für eine mehrstufige Verdichtercnlage, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenraum des Gehäuses (1b) mittels einer Leitung mit dem Zylinderraum einer anderen als

der abzudichtenden, insbesondere einer vorhergehenden, Verdichtungsstufe in offener Verbindung steht.