EP0640764B1 - Kolbenkompressor - Google Patents

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EP0640764B1
EP0640764B1 EP93810606A EP93810606A EP0640764B1 EP 0640764 B1 EP0640764 B1 EP 0640764B1 EP 93810606 A EP93810606 A EP 93810606A EP 93810606 A EP93810606 A EP 93810606A EP 0640764 B1 EP0640764 B1 EP 0640764B1
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EP
European Patent Office
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piston
crosshead
rod
piston rod
cylinder
Prior art date
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Application number
EP93810606A
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English (en)
French (fr)
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Inventor
Oskar Habegger
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Burckhardt Compression AG
Original Assignee
Maschinenfabrik Burckhardt AG
Maschinenfabrik Sulzer Burckhardt AG
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Publication date
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Priority to CA002129768A priority patent/CA2129768C/en
Priority to CZ19942031A priority patent/CZ286732B6/cs
Priority to AU71401/94A priority patent/AU675340B2/en
Priority to BR9403323A priority patent/BR9403323A/pt
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B39/00—Component parts, details, or accessories, of pumps or pumping systems specially adapted for elastic fluids, not otherwise provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B37/00
    • F04B39/0005—Component parts, details, or accessories, of pumps or pumping systems specially adapted for elastic fluids, not otherwise provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B37/00 adaptations of pistons
    • F04B39/0022—Component parts, details, or accessories, of pumps or pumping systems specially adapted for elastic fluids, not otherwise provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B37/00 adaptations of pistons piston rods
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T74/00—Machine element or mechanism
    • Y10T74/18—Mechanical movements
    • Y10T74/18056—Rotary to or from reciprocating or oscillating
    • Y10T74/18208—Crank, pitman, and slide

Definitions

  • the invention relates to a piston compressor with at least one cylinder and a piston guided in a contactless manner therein, which is connected to a crosshead via a piston rod.
  • connection of the piston rod to the crosshead either consists of two nuts screwed onto the piston rod, which are screwed together and clamp a correspondingly thick wall part of the crosshead body between them.
  • Another possible connection is to provide an elongated hole transversely through the end of the piston rod and the cross-head body receiving this end, into which two wedges abutting one another with their wedge surfaces are hammered.
  • Both embodiments have the disadvantage that, considering the type of connection, the crosshead body must be made longer than would be necessary considering the length of its running surface in the crosshead bearing. The distance between the crosshead pin and the center of the piston is relatively large. This means that the overall length of the compressor is large and that the piston guided without contact tends to have relatively large radial movements.
  • the invention has for its object to improve a compressor of the type mentioned in such a way that the overall length of the compressor is shortened so that the occurrence of movements of the piston transverse to its normal movement are considerably reduced.
  • the piston rod consists of a tube extending between the crosshead and the piston and that an expandable tie rod is arranged in this tube, which pulls the crosshead and the piston non-positively against the tube under prestress.
  • the piston rod is now in the form of a tube, the diameter of the piston rod is substantially increased, which gives greater rigidity and practically eliminates the tendency for the piston to move transversely.
  • the new compressor does not have a piston rod guide bearing, as was previously necessary. Because the connection between the tubular piston rod and the crosshead is made with the aid of a prestressed tie rod, the piston rod can be made shorter than before, which, together with the omission of a piston rod guide bearing, results in a shorter overall length for the compressor.
  • the invention can be applied both to piston compressors with vertical piston movement and to those with horizontal piston movement. In the latter case, there is the advantage that, owing to the enlarged diameter of the tubular piston rod, there is practically no deflection of the piston under its own weight.
  • the piston compressor has a crankcase 1, which is only partially shown and in which a crankshaft, not shown, is mounted in a known manner.
  • a push rod 4 is connected to a crank pin 3 of the crankshaft, which is articulated at its right end in FIG. 1 to a pin 5 which is part of a cross head 6 that can be moved horizontally in a straight line back and forth.
  • the crosshead 6 is mounted in a liquid-cooled housing 7 which is flanged to the crankcase 1.
  • a tie rod 9 is attached in a manner described in more detail below, which extends through a piston rod 8 in the form of a tube and a piston 10 and which holds the three components 6, 8 and 10 together.
  • the piston 10 is guided in a liquid-cooled cylinder 11 without contact, but this is not shown in FIGS. 1 and 2.
  • the piston rod 8 is surrounded by an oil scraper device 19, which prevents lubricating oil from the crankcase 1 from reaching the cylinder 11 via the crosshead 6 and the piston rod.
  • the cylinder 11 is closed at its right end in FIG. 1 by a liquid-cooled cylinder cover 12.
  • a liquid-cooled cylinder cover 12 In the cylinder 11 is between the Piston 10 and the cylinder cover 12 of the working space 13, in which gas is sucked in during operation of the compressor and then compressed.
  • the suction and pressure valves are not shown in the drawing.
  • the piston rod 8 At the left end of the cylinder 11 in FIG. 1, the piston rod 8 is surrounded in a known manner by annular sealing elements 14, which are fixed in the cylinder 11 by means of a stuffing box gland 15.
  • the tie rod 9 extending through the piston rod 8 and the piston 10 has at its left end a threaded section 17 which is screwed into a suitable threaded section of a hub-like part 18 of the crosshead 6.
  • the hub-like part 18 is connected via a plurality of ribs 20 to a cylindrical section 21 of the crosshead sliding in the housing 7.
  • the end of the hub-like part 18 facing the piston rod 8 is thickened in a flange-like manner and forms with its end face 18 'a support surface for the piston rod 8.
  • the tubular piston rod 8 is provided at its end facing the part 18 with a threaded ring 38 which is screwed into the tube and abuts with a flange 8 'on the one hand on the end face of the tube and on the other hand on the support surface 18'. With its central bore, the threaded ring 38 rests on a thickened section 22 of the tie rod 9. In the same way, a threaded ring 38 ′ is screwed into the other tube end of the piston rod 8, and the central bore rests on a thickened section 23 of the tie rod 9.
  • the flange of the threaded ring 38 ' projects here between the right end face of the piston rod 8 in FIG. 2 and the left end face of the piston 10.
  • the piston 10 is composed of three parts 10 ', 10''and10'''.
  • the part 10 ''' forms the piston skirt and has on its outer surface known, not shown labyrinth grooves which together result in a contactless labyrinth seal with the surrounding cylindrical surface 11 'of the cylinder 11.
  • the jacket part 10 '''of the piston 10 is held between two shoulders of the inside piston parts 10' and 10 ''.
  • the two parts 10 'and 10'' have a central bore, the inner diameter of which is larger than the diameter of the thickened section 23 of the tie rod 9.
  • the parts 10' and 10 '' rest on correspondingly thickened sections 24 and 25 of the Tie rod 9, wherein at the left end of section 24 a shoulder 24 'is formed, which cooperates with a somewhat recessed counter surface on the flange of the threaded ring 38'.
  • the part 10 ′′ of the piston 10 facing the working space 13 has at its right end in FIG. 2 a cylindrical recess 26 which forms a shoulder 26 ′ and serves to receive a nut 28 which is screwed onto a threaded section 27 of the tie rod 9 is.
  • the threaded portion 27 protrudes somewhat from the right end face of the piston 10.
  • This protruding threaded section 27 serves to receive a hydraulic clamping device 30.
  • the clamping device consists of a central bolt-like part 31, which is screwed onto the threaded section 27 with a nut-like end section and on which a clamping piston 32 is arranged, which is mounted on the part by means of a nut 33 31 is fixed.
  • the tensioning piston 32 projects into a tensioning cylinder 34 which surrounds it and which is supported on the right end face of the part 10 ′′ via two stilts 34 ′, of which only one can be seen in FIG.
  • a pressure chamber 35 is provided between the tensioning piston 32 and the tensioning cylinder 34, into which a channel 36 opens, to which a pressure medium supply 37 is connected.
  • a cylindrical rod 29 is provided which can be inserted into correspondingly inclined blind bores 28 'distributed over the circumference of the nut.
  • the crosshead 6, the piston rod 8 and the piston 10 are now held together by the extended tie rod under pre-tension. If necessary, the described stretching process can be repeated with the aid of the tensioning device 30 until the desired preload in the tie rod and in the piston rod is reached. After loosening the hydraulic clamping device 30 from the threaded portion 27 and removing the rod 29, the cylinder cover 12 is in Cylinder 11 mounted and the compressor can be started.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen Kolbenkompressor mit mindestens einem Zylinder und einem darin berührungslos geführten Kolben, der über eine Kolbenstange mit einem Kreuzkopf verbunden ist.
  • Bei Kolbenkompressoren dieser Art besteht die Verbindung der Kolbenstange mit dem Kreuzkopf entweder aus zwei auf die Kolbenstange geschraubte Muttern, die gegeneinander verschraubt werden und zwischen sich einen entsprechend dick dimensionierten Wandteil des Kreuzkopfkörpers einspannen. Eine andere Möglichkeit der Verbindung besteht darin, quer durch das Kolbenstangenende und den dieses Ende aufnehmenden Kreuzkopfkörper ein Langloch vorzusehen, in das zwei mit ihren Keilflächen aneinanderliegende Keile eingeschlagen werden. Beide Ausführungsformen haben den Nachteil, dass der Kreuzkopfkörper mit Rücksicht auf die Art der Verbindung länger ausgebildet werden muss, als dies mit Rücksicht auf die Länge seiner Lauffläche im Kreuzkopflager notwendig wäre. Der Abstand zwischen Kreuzkopfzapfen und Kolbenmitte wird dadurch verhältnismässig gross. Dies bedingt, dass die Baulänge des Kompressors gross ist und dass der berührungsfrei geführte Kolben zu relativ grossen Radialbewegungen neigt.
  • Um dem abzuhelfen, hat man bisher zwischen dem Kreuzkopflager und dem Zylinder zusätzlich ein Kolbenstangenführungslager eingebaut, was eine grosse Länge der Kolbenstange und damit auch des Kompressors bedingt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kompressor der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass die Baulänge des Kompressors verkürzt wird, so dass ein Auftreten von Bewegungen des Kolbens quer zu seiner normalen Bewegung beträchtlich verringert werden.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Kolbenstange aus einem sich zwischen dem Kreuzkopf und dem Kolben erstreckenden Rohr besteht und dass in diesem Rohr ein dehnbarer Zuganker angeordnet ist, der unter Vorspannung den Kreuzkopf und den Kolben kraftschlüssig gegen das Rohr zieht. Dadurch, dass die Kolbenstange nunmehr die Form eines Rohres aufweist, wird der Durchmesser der Kolbenstange wesentlich vergrössert, wodurch man eine grössere Steifigkeit erhält und die Neigung zu Querbewegungen des Kolbens praktisch eliminiert ist. Ein Kolbenstangenführungslager, wie es bisher notwendig war, entfällt bei dem neuen Kompressor. Dadurch, dass die Verbindung zwischen der rohrförmigen Kolbenstange und dem Kreuzkopf mit Hilfe eines unter Vorspannung stehenden Zugankers geschieht, kann die Kolbenstange kürzer als bisher ausgebildet werden, wodurch sich zusammen mit dem Wegfall eines Kolbenstangenführungslagers eine kürzere Baulänge für den Kompressor ergibt. Die Erfindung lässt sich sowohl bei Kolbenkompressoren mit vertikaler Kolbenbewegung als auch bei solchen mit horizontaler Kolbenbewegung anwenden. Im letztgenannten Fall ergibt sich der Vorteil, dass wegen des vergrösserten Durchmessers der rohrförmigen Kolbenstange praktisch keine Auslenkung des Kolbens unter seinem Eigengewicht auftritt.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der folgenden Beschreibung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig.1
    einen schematisch vereinfachten Längsschnitt durch einen Kolbenkompressor der Horizontalbauart und
    Fig.2
    ebenfalls einen Längsschnitt durch die aus Kreuzkopf, Kolbenstange, Kolben und Zuganker bestehende Montageeinheit mit aufgesetzter hydraulischer Spannvorrichtung.
  • Gemäss Fig.1 weist der Kolbenkompressor ein Kurbelgehäuse 1 auf, das nur teilweise dargestellt ist und in dem eine nicht näher dargestellte Kurbelwelle in bekannter Weise gelagert ist. An einem Kurbelzapfen 3 der Kurbelwelle ist eine Schubstange 4 angeschlossen, die an ihrem in Fig.1 rechten Ende mit einem Zapfen 5 gelenkig verbunden ist, der Teil eines horizontal geradlinig hin und her beweglichen Kreuzkopfes 6 ist. Der Kreuzkopf 6 ist in einem flüssigkeitsgekühlten Gehäuse 7 gelagert, das am Kurbelgehäuse 1 angeflanscht ist. Am in Fig.1 rechten Ende des Kreuzkopfes 6 ist in weiter unten näher beschriebener Weise ein Zuganker 9 befestigt, der sich durch eine Kolbenstange 8 in Form eines Rohres und einen Kolben 10 erstreckt und der die drei Bauteile 6, 8 und 10 zusammenhält. Der Kolben 10 ist in einem flüssigkeitsgekühlten Zylinder 11 berührungsfrei geführt, was in Fig.1 und 2 jedoch nicht dargestellt ist. Die Kolbenstange 8 ist von einer Oelabstreifvorrichtung 19 umgeben, die verhindert, dass Schmieröl aus dem Kurbelgehäuse 1 über den Kreuzkopf 6 und die Kolbenstange zum Zylinder 11 gelangt.
  • Der Zylinder 11 ist an seinem in Fig.1 rechten Ende durch einen flüssigkeitsgekühlten Zylinderdeckel 12 verschlossen. Im Zylinder 11 befindet sich zwischen dem Kolben 10 und dem Zylinderdeckel 12 der Arbeitsraum 13, in dem während des Betriebes des Kompressors Gas angesaugt und anschliessend komprimiert wird. Die Saug- und Druckventile sind in der Zeichnung nicht dargestellt. Am in Fig.1 linken Ende des Zylinders 11 ist die Kolbenstange 8 in bekannter Weise von ringförmigen Dichtelementen 14 umgeben, die mittels einer Stopfbuchsbrille 15 im Zylinder 11 fixiert sind.
  • Gemäss Fig.2 weist der sich durch die Kolbenstange 8 und den Kolben 10 erstreckende Zuganker 9 an seinem linken Ende einen Gewindeabschnitt 17 auf, der in einen passenden Gewindeabschnitt eines nabenartigen Teils 18 des Kreuzkopfes 6 eingeschraubt ist. Der nabenartige Teil 18 ist über mehrere Rippen 20 mit einem zylindrischen, im Gehäuse 7 gleitenden Abschnitt 21 des Kreuzkopfes verbunden. Das der Kolbenstange 8 zugewendete Ende des nabenartigen Teils 18 ist flanschartig verdickt und bildet mit seiner Stirnfläche 18' eine Abstützfläche für die Kolbenstange 8. Die rohrförmige Kolbenstange 8 ist an ihrem dem Teil 18 zugewendeten Ende mit einem Gewindering 38 versehen, der in das Rohr eingeschraubt ist und dabei mit einem Flansch 8' einerseits an der Stirnfläche des Rohres und andererseits an der Abstützfläche 18' anliegt. Mit seiner zentralen Bohrung ruht der Gewindering 38 auf einem verdickten Abschnitt 22 des Zugankers 9. In gleicher Weise ist am anderen Rohrende der Kolbenstange 8 ein Gewindering 38' eingeschraubt, der mit seiner zentralen Bohrung auf einem verdickten Abschnitt 23 des Zugankers 9 ruht. Der Flansch des Gewinderinges 38' ragt hier zwischen die in Fig.2 rechte Stirnfläche der Kolbenstange 8 und die linke Stirnfläche des Kolbens 10.
  • Der Kolben 10 ist in diesem Beispiel aus drei Teilen 10', 10'' und 10''' zusammengesetzt. Der Teil 10''' bildet den Kolbenmantel und weist an seiner Aussenfläche bekannte, hier nicht dargestellte Labyrinthrillen auf, die zusammen mit der umgebenden zylindrischen Fläche 11' des Zylinders 11 eine berührungslose Labyrinthdichtung ergeben. Der Mantelteil 10''' des Kolbens 10 wird zwischen Zwei Schultern der innen liegenden Kolbenteile 10' und 10'' gehalten. Die beiden Teile 10' und 10'' weisen eine zentrale Bohrung auf, deren Innendurchmesser grösser ist als der Durchmesser des verdickten Abschnitts 23 des Zugankers 9. Mit dieser Bohrung ruhen die Teile 10' und 10'' auf entsprechend verdickten Abschnitten 24 und 25 des Zugankers 9, wobei am linken Ende des Abschnitts 24 eine Schulter 24' ausgebildet ist, die mit einer etwas vertieften Gegenfläche am Flansch des Gewinderinges 38' zusammenwirkt. Der dem Arbeitsraum 13 zugewendete Teil 10'' des Kolbens 10 weist an seinem in Fig.2 rechten Ende eine zylindrische Ausdrehung 26 auf, die eine Schulter 26' bildet und zur Aufnahme einer Mutter 28 dient, die auf einen Gewindeabschnitt 27 des Zugankers 9 geschraubt ist. Der Gewindeabschnitt 27 steht gegenüber der rechten Stirnfläche des Kolbens 10 etwas vor.
  • Dieser vorstehende Gewindeabschnitt 27 dient zur Aufnahme einer hydraulischen Spannvorrichtung 30. Die Spannvorrichtung besteht aus einem zentralen bolzenartigen Teil 31, der mit einem mutterartigen Endabschnitt auf den Gewindeabschnitt 27 geschraubt ist und auf dem ein Spannkolben 32 angeordnet ist, der mittels einer Mutter 33 auf dem Teil 31 fixiert ist. Der Spannkolben 32 ragt in einen ihn umgebenden Spannzylinder 34, der sich über zwei Stelzen 34', von denen in Fig.2 nur eine zu erkennen ist, an der rechten Stirnfläche des Teils 10'' abstützt. Zwischen dem Spannkolben 32 und dem Spannzylinder 34 ist ein Druckraum 35 vorgesehen, in den ein Kanal 36 mündet, an dem eine Druckmittelzufuhr 37 angeschlossen ist. Zum Drehen der Mutter 28 ist ein zylindrischer Stab 29 vorgesehen, der in entsprechend geneigte, über den Umfang der Mutter verteilte Sackbohrungen 28' einsteckbar ist.
  • Der Zusammenbau von Kreuzkopf 6, Kolbenstange 8 und Kolben 10 geschieht folgendermassen: Bei noch abgenommenem Zylinderdeckel 12 und ausgebautem Kolben 10 wird der Zuganker 9 mit der darübergesteckten Kolbenstange 8 in den Zylinder 11 eingeführt und der Zuganker 9 mit seinem Gewindeabschnitt 17 in den nabenförmigen Teil 18 des Kreuzkopfes 6 eingeschraubt. In diesem Zustand drückt die an der vertieften Gegenfläche des Gewinderinges 38' anliegende Schulter 24' des Zugankers die Kolbenstange 8 mit dem Flansch 8' gegen die Abstützfläche 18' am Kreuzkopf. Es werden dann nacheinander die Teile 10', 10''' und 10'' des Kolbens über den Gewindeabschnitt 27 hinweg in den Zylinder 11 eingeschoben, bis der Kolben 10 als Ganzes mit seiner in Fig.2 linken Stirnfläche an der rechten Stirnfläche des Gewinderinges 38' der Kolbenstange 8 anliegt. Dann wird die Mutter 28 auf den Gewindeabschnitt 27 aufgeschraubt bis zur Anlage an der Schulter 26'. Schliesslich wird der bolzenartige Teil 31 der hydraulischen Spannvorrichtung 30 auf den vorstehenden Gewindeabschnitt 27 geschraubt, und es werden der Spannzylinder 34 und der Spannkolben 32 auf den bolzenartigen Teil 31 gesteckt und mittels der Mutter 33 fixiert. Durch Zuführen von Druckmittel unter einem Druck von mindestens 100 bar in den Druckraum 35 dehnt sich der Zuganker 9, wodurch sich zwischen der Schulter 26' und der Mutter 28 ein Spalt einstellt. Mit Hilfe des Stabes 29 wird nunmehr die Mutter 28 soweit gedreht, bis sie wieder an der Schulter 26' anliegt. Nach dem Ablassen des Druckmittels aus dem Druckraum 35 werden jetzt der Kreuzkopf 6, die Kolbenstange 8 und der Kolben 10 von dem gedehnten Zuganker unter Vorspannung zusammengehalten. Gegebenenfalls kann der beschriebene Dehnvorgang mit Hilfe der Spannvorrichtung 30 wiederholt werden, bis die gewünschte Vorspannung im Zuganker und in der Kolbenstange erreicht ist. Nach dem Lösen der hydraulischen Spannvorrichtung 30 vom Gewindeabschnitt 27 und dem Entfernen des Stabes 29 wird der Zylinderdeckel 12 im Zylinder 11 montiert und der Kompressor kann in Betrieb gesetzt werden.
  • Durch die neue Verbindung des Kolbens mit dem Kreuzkopf über die rohrförmige Kolbenstange 8 wird ein Auslenken des Kolbens 10 unter seinem Eigengewicht weitgehend vermieden, so dass trotz der berührungsfreien Führung des Kolbens im Zylinder 11 die zentrische Anordnung des Kolbens praktisch erhalten bleibt.
  • Abweichend von dem beschriebenen Beispiel ist es auch möglich, statt der Gewinderinge 38 und 38' entsprechende Wandverdickungen an den Enden des Rohres 8 vorzusehen, so dass dieses als Ganzes einstückig ist. Ausserdem ist es möglich, statt der Schulter 24' am Zuganker 9 eine konische Fläche anzubringen, die sich gegen den Kreuzkopf hin verjüngt, und an dem entsprechenden Ende der Kolbenstange 8 eine passende Gegenkonusfläche vorzusehen.

Claims (3)

  1. Kolbenkompressor mit mindestens einem Zylinder und einem darin berührungslos geführten Kolben, der über eine Kolbenstange mit einem Kreuzkopf verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenstange aus einem sich zwischen dem Kreuzkopf und dem Kolben erstreckenden Rohr besteht und dass in diesem Rohr ein dehnbarer Zuganker angeordnet ist, der unter Vorspannung den Kreuzkopf und den Kolben kraftschlüssig gegen das Rohr zieht.
  2. Kompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuganker an seinem einen Ende einen in den Kreuzkopf eingeschraubten Gewindeabschnitt und an seinem anderen Ende einen Gewindeabschnitt aufweist, auf den eine sich am Kolben abstützende Mutter aufgeschraubt ist und der ausserdem mit einer hydraulischen Spannvorrichtung verbindbar ist.
  3. Kompressor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben in einem Zylinder mit horizontaler Achse angeordnet ist.
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