WO2006125416A1

WO2006125416A1 - Dichtpaket und hubkolben mit einem solchen paket

Info

Publication number: WO2006125416A1
Application number: PCT/DE2006/000864
Authority: WO
Inventors: Hans Helpap
Original assignee: Hans Helpap
Priority date: 2005-05-23
Filing date: 2006-05-18
Publication date: 2006-11-30
Also published as: DE102005024140A1; EP1891357A1; DE102005024140B4; US20080309021A1

Abstract

Es wird ein Dichtpaket für den Hubkolben einer Hubkolbenmaschine beschrieben, welches in eine umlaufende Nut des Hubkolbens einlegbar ist und axial aneinanderliegend drei Segmentringe (10, 20, 30) aufweist und zwar einen zweiten (unteren) Segmentring (10), darüber einen ersten (oberen) Segmentring (20) und darüber einen konischen Druck-Sicherungsring (30). Wesentlich ist, dass beim zweiten (unteren) Segmentring (10) die in Umfangsrichtung aneinandergrenzenden Enden der Dichtsegmente (11) und der Schlossteile (12) sich hakenförmig radial hintergreifen, wobei die Dichtsegmente (11) einen nach innen weisenden Haken (13) und die Schlossteile (12) einen nach außen weisenden Haken (14) besitzen, und die in den (Einhak-) Anlageflächen (15) liegenden Anlagegeraden (16) der aneinandergrenzenden Segmente (11, 12) radial zur Ringmittelachse weisend so ausgerichtet sind, dass die Wirkrichtungen der rechtwinklig zum Geradenverlauf (16) sich abgleichenden Partialkräfte der auftretenden Einzelsegmentkräfte entgegengesetzt ausgerichtet sind und somit die Anpresskraft des Dichtsegments (11) an der Zylinderwand als Ganzes und somit der Verschleiß wesentlich verringert werden.

Description

Dichtpaket und Hubkolben mit einem solchen Paket

B e s c h r e i b u n g

Die Erfindung bezieht sich auf ein Dichtpaket und einen Hubkolben für Hubkolbenmaschinen gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 13 und 14.

Aus der WO 95/14184 ist ein Dichtpaket für Hubkolben einer Hubkolbenmaschine bekannt, das mindestens zwei axial aneinanderliegende Segmentringe gleichen Aufbaues umfasst, die sich jeweils in abwechselnder Folge aus mindestens zwei Dichtsegmenten und ebenso vielen Schlossteilen zusammensetzen. Diese Dichtsegmente und Schlossteile verjüngen sich jeweils entgegengesetzt radial nach innen bzw. nach außen, in beiden Segmentringen keilförmig, wobei die „ideellen" Keilspitzen der Dichtsegmente stets zur Ringmittelachse und die der Schlossteile in Richtung Zylinderwand weisen. Die axial aneinanderliegenden Segmentringe sind zueinander so verdreht, dass sich die Dichtsegmente in ihrer Anlage zur Zylinderwand überlappen und radial verlaufende Freiräume zwischen den Öichtsegmenten durch die Schlossteile besetzt und geschlossen werden. Eine Verdrehsicherung zwischen jeweils mindestens einem Segment der aufeinanderfolgenden Segmentringe verhindert letztlich die Verschiebung der Dichtsegmente zueinander. Von einer Ring- Anpressfeder, die im Nutgrund der Kolbenringnut mit eingelegt ist, wird eine zusätzliche Kraft auf das Dichtpaket ausgeübt, um die Ausbildung und Aufrechterhaltung der Dichtgrenze garantieren zu können.

Aus der EP 937216 B1 (WO 98/08009) ist ein verbessertes Dichtpaket beschrieben, mit dem vom Aufbau her auf den Einsatz der notwendigen Anpressfeder nach der WO 95/14184 ersatzlos verzichtet werden kann. Aufgrund der Einbaulage des ersten, oberen Segmentringes besteht insbesondere während des Bewegungsablaufes des Kolbens respektive Dichtpaketes vom „oberen Totpunkt" OT in Richtung „unterer Totpunkt" UT die Gefahr der verminderten Dichtölzufuhr in dem Dicht- und Bewegungsspalt zwischen der Zylinderwand und den Dichtsegmenten des ersten, oberen Segmentringes. Daraus resultieren insbesondere bei höheren Kolbengeschwindigkeiten im Dichtspalt Freiräume, in denen die zur Wirkung kommenden Kräfte nicht mehr über das physikalische Prinzip der „Druckwandlung" sondern über die direkte Gasdruck-Einwirkung auf die Freiraum-Flächen sich ergeben. Infolgedessen besteht die Notwendigkeit, eine zusätzliche „Kraft" mit Wirkrichtung zur Zylinderwand aufzubringen, um dem möglichen Aufbau der in Richtung „Kolbenmittelachse" wirkenden Kräfte an den Dichtsegmenten entgegen zu wirken und den Zusammenbruch der Dichtgrenze zu vermeiden.

Bei diesem bekannten Dichtpaket wird ein erster, oberer Segmentring verwendet, der sich (gleichfalls) aus mindestens zwei, keilförmig ausgebildeten Dichtsegmenten und ebenso vielen keilförmig ausgebildeten Schlossteilen zusammensetzt, die in ihrer Anlage sich abwechseln und deren ideelle Keilwinkelspitzen jedoch immer zur Kolbenmittelachse ausgerichtet sind. Darüber hinaus ist die Ausbildung des äußeren, an der Zylinderwand nicht anliegenden Kreisbogens der Schlossteile immer größer als der Bogen der an der Zylinderwand anliegenden Dichtsegmente, die nur so weit wie nötig mit den Dichtsegmenten des zweiten, unteren Segmentringes überlappen. Überdies ist ein sogenannter Druck- und Sicherungsring vorgesehen, der im Querschnitt auch keilförmig ausgebildet ist und mindestens einmal quergeschlitzt zwischen dem Segmentring oben und der dem Druckring entsprechenden Ausbildung der Kolbennut mit einliegt. Dieser sogenannte Druck-Sicherungsring hat zum Einen die Aufgabe, das Abheben des Dichtpakets von der unteren Auflage an der Kolbenring-Nutwand beim Auftreten hoher Massenbeschleunigungen so weit wie möglich einzuschränken und zum Zweiten, die radial verlaufenden Anlage-Spalte zwischen den einzelnen Ringsegmenten im ersten oberen Segmentring abzudecken und damit unerwünschten Druckaufbau in den Zwischenräumen dieser Anlage- Spalte zu mindern.

Es hat sich jedoch gezeigt, dass bei Einsatz dieses Dichtpakets die erwarteten Leistungsverbesserungen nur bedingt erreichbar sind. Darüber hinaus ist festzustellen, dass die Dichtsegmente des zweiten, unteren Segmentringes erhöhtem Verschleiß unterliegen. Auch bei hervorragendem Abdichtvermögen mit sehr guten Leckage- Werten reduziert sich der allgemeine Einsatz- und Anwendungsbereich des Dichtpaketes hierdurch bestenfalls auf Sonderausführungen. Die ursächlichen Zusammenhänge dieses disqualifizierend wirkenden Funktionsverhaltens ergeben sich aus dem spezifischen Aufbau der Segmentringe, die für diese Art von Dichtpaketen bestimmend sind. Die axial wirkende Dichtgrenze des Dichtpaketes wird von den sich überlappenden Dichtsegmenten des ersten, oberen Segmentringes und des mindestens einen zweiten, unteren Segmentringes ausgebildet, die übereinander und zueinander verdrehgesichert in einer Ringnut eines Hubkolbens einliegen. Die Schlossteile, die in der Materialstärke den Dichtsegmenten entsprechen, schließen jeweils die zwischen zwei Dichtsegmenten bestehenden Freiräume und bilden somit im zweiten, unterer Segmentring eine radial verlaufende Dichtgrenze, die sowohl gegenüber dem ersten, oberen Segmentring als auch gegenüber der Anlage zur Kolbenringnut zur Wirkung kommt. Diese radial wirkende Dichtgrenze wird insbesondere durch die zwar unterschiedlichen, jedoch stets keilförmig ausgebildeten Einzelsegmente der mindestens zwei Segmentringe gewährleistet. Dabei sind die Schlossteile in ihrer äußeren Ausbildungsbegrenzung gegenüber den an der Zylinderwand anliegenden Dichtsegmenten etwas zurückgesetzt, so dass bei eintretendem Verschleiß ein selbsttätiges Nachstellen ermöglicht wird. Bei einsetzendem Arbeitsdruck im Funktionsraum- und damit im Nutgrund- wird an den jeweiligen Einzelsegmenten ein Kraftaufbau iniziiert, der im zweiten, unteren Segmentring in der Regel radial zur Zylinderwand ausgerichtet ist. Die Schlossteile, die nur tangential an den Dichtsegmenten anliegen, können ihre aus dem Arbeitsdruck resultierende Wirkkraft nur auf die zwei anliegenden Dichtsegmente übertragen. Das bedeutet, dass generell - besonders aber im zweiten, unteren Segmentring - an den Dichtsegmenten zusätzlich zur eigenen Wirkkraft eine zweite Kraftkomponente aufgebaut wird, die zu erhöhtem Anpressdruck der Dichtsegmente an die Zylinderwand führt und damit die Hauptursache des erhöhten Verschleißes sein dürfte.

Zwar ist aus der US 2,055,153 ein Dichtpaket bekannt, dass aus zwei Segmentringen besteht, deren Enden sich vertikal gegenseitig hintergreifen, wodurch eine spezielle Ausbildung eines Schlitzes im Ring vorhanden ist. Dieses weißt jedoch nicht einen eindeutig definierten Funktionsaufbau nach anliegenden Dichtsegmenten mit dazwischen positioniertem Schlossteil (nicht anliegend), die einen radial geschlossenen Segmentring bilden und bei vorgegebenem Verdrehwinkel bei Überlagerung von zwei Segmentringen auch in axialer Richtung einen geschlossenen „Verbund" bilden. In den US 2,590,961 und DE 523 160 C ist jeweils ein einzelner Kobenring beschrieben der einmal geschlitzt ist und dessen Schlitzstelle mit einem vertikal einsitzenden Schlossteil ausgestattet ist. Dies erscheint geeignet, die Gasleckage zeitlich begrenzt zu vermindern; es ist jedoch keine vollständige Dichtgrenzenausbildung möglich.

Schließlich ist aus der GB 2 131 121 A ein Kolbenring bekannt, der ebenfalls nur einmal geschlitzt ist, wobei die Ringenden miteinander verhakbar sind, wodurch die Gasleckage reduziert wird. Eine geschlossene Dichtgrenze in radialer und axialer Richtung wird dauerhaft durch diese Verhakung nicht geboten.

Aufgabe der Erfindung ist somit, ein Dichtpaket o. g. Gattung anzugeben, bei dem auf einfache Weise die Reibverluste durch das Kolbenabdichtsystem auf Minimalwerte begrenzt sind und gleichzeitig ein gutes Abdichtverhalten gewährleistet bleibt. Zu dem ist ein Hubkolben für eine Hubkolbenmaschine anzugeben, der unter Verwendung dieses Dichtpaketes optimale Abdicht- und Ölabstreifeigenschaften und minimale Reibverluste verzeichnet.

Diese Aufgabe wird durch ein Dichtpaket mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den entsprechend rückbezogenen Unteransprüchen gekennzeichnet.

Dem gemäß sind die in Umfangsrichtung aneinander grenzenden Enden der Dichtsegmente und Schlossteile des zweiten, unteren Segmentringes sich gegenseitig hakenförmig hintergreifend so ausgebildet, dass die Dichtsegmente ein radial nach innen weisendes Hakenteil und die Schlossteile ein radial nach außen weisendes Hakenteil besitzen, wodurch die gegenseitig zur Anlage und Kraftübertragung kommenden Keilflächen beider Segmentarten jeweils zur eigenen Segment-Mittelachse weisen. Damit wird zwischen den Enden der Schlossteile und der Dichtsegmente eine gemeinsame Einhak-Anlagefläche gebildet, die als Teil eines Geradenabschnittes betrachtet und definiert werden kann. Dies erweist sich als besonders vorteilhaft bei der Übertragung der Schlossteilkräfte auf die Dichtsegmente und damit auf die Ausbildung der zweiten Wirkkomponente an den Dichtsegmenten, was nachfolgend in Verbindung mit Fig. 5 näher erläutert wird.

Die Schlossteile sind im weiteren so ausgebildet, dass ausgehend vom jeweiligen Verlauf der übergreifenden Einhak-Einzelfläche der innere Begrenzungsdurchmesser nach Vorgabe erweitert ist und der äußere Begrenzungsdurchmesser zwischen den beiden (Haken-) Ansätzen als direkte Verbindung ausgearbeitet sein kann. Mit einer Ausführung in dieser Form lassen sich Segmentringe bereitstellen, die in radialer Richtung eine vollkommen geschlossene und in axialer Richtung eine nahezu geschlossene Dichtgrenze bilden. Der größte Anteil des axial zur Wirkung kommenden Dichtgrenzenaufbaus erfolgt damit über die Dichtsegmente des zweiten, unteren Segmentringes. Lediglich in der Bogenlänge sind kleine, zahlenmäßig dem Teilungswinkel entsprechende Ringunterbrechungen durch die Dichtsegmente des ersten, oberen Segmentringes, der gemäß Stand der Technik nach der EP 987216 B1 aufgebaut ist, abzudecken. Die an den Dichtsegmenten des ersten, oberen Segmentringes auftretenden Reibkräfte sind somit über konstruktiv vorgebbare Ausführungskriterien (Winkelposition und Wirkrichtung) dahingehend optimierbar, dass die Anpresskräfte (und somit die Reibkräfte) des Gesamt-Dichtpaketes auf ein notwendiges, der Dichtgrenzenausbildung genügendes Minimum reduziert werden können.

Von Vorteil ist, wenn als Verdrehsicherung die axial übereinander befindlichen Segmentringe am Innenumfang der Segmentringe eine Nut- und Feder-Verbindung vorgesehen ist und zwar sinnvoller Weise am Schlossteil des einen Segmentringes und dem Dichtsegment des anderen Segmentringes. Dabei bietet sich an, die jeweils größeren Segmentringe dazu zu verwenden, d. h. hier beim unteren Ring das Dichtsegment und beim darüber liegenden Ring das verhältnismäßig lang ausgebildete Schlossteil. Dabei sind die jeweiligen Nuten und der zugehörige, die beiden Segmente zueinander drehfest haltende Nutenstein so ausgelegt, dass der Nutenstein frei in der Kolbennut einliegt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst jeder Segmentring vier Schlossteile und vier Dichtsegmente. Die jeweilige radiale Ausrichtung der Anlageflächen der Segmentteile erlaubt eine betriebszuverlässig arbeitende Auslegung des Dichtpakets, welches sich kostengünstig fertigen und herstellen lässt. Natürlich ist die Erfindung nicht auf diese bevorzugte Anzahl von Ringen und Segmenten beschränkt, sondern diese Anzahl hängt auch von den Abmessungen und Größen der jeweiligen Segmentringe ab.

Wie auch beim vorbeschriebenen Stand der Technik ist von Vorteil, wenn auch beim erfindungsgemäßen Dichtpaket ein an seiner Oberseite konisch nach innen sich verjüngender Druck-Sicherungsring vorgesehen ist, der aus mindestens zwei Ringhälften besteht und der ebenfalls an seiner unterseitigen Anlagefläche Oberflächenunterbrechungen zur axialen Druckentlastung aufweisen kann. Durch den Druck- Sicherungsring wird ein unerwünschtes Kippen der Einzelsegmente, wenn nicht verhindert, so doch eingegrenzt, so dass in stabiler und zuverlässiger Weise der Dichtgrenzenverbund des Dichtpaketes in allen Betriebszuständen erhalten bleibt.

Da der zweite, untere Segmentring so ausgebildet werden kann, dass die axial zur Wirkung kommenden partiellen Dichtgrenzenbereiche einen nahezu geschlossenen Kreis bilden, ist es in weiterer vorteilhafter Ausbildung möglich, den konventionellen Ölabstreifring des Hubkolbens ebenfalls als Segmentriηg auszubilden und als aller- untersten Segmentring in das Dichtpaket zu integrieren. Dadurch ergibt sich ein völlig neuartiges Dichtpaket, das beide Funktionen, nämlich die Abdichtfunktion und auch die Ölabstreiffunktion erfüllt. Dies bringt insbesondere den Vorteil, dass im Hubkolben eine Nut weniger einzubringen ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Ölabstreif-Segmentring die gleiche Anzahl an Schlossteilen und Dichtsegmenten wie der ähnlich aufgebaute zweite, untere Segmentring des vorbeschriebenen Dichtpaketes, somit jeweils vier Teile bzw. Segmente. Die in Umfangsrichtung weisenden Enden der jeweils aneinander grenzenden Ringsegmente hintergreifen sich gegenseitig ebenfalls hakenförmig radial, wobei die gegenseitigen Haken-Anlageflächen und somit die Anlagegeraden radial zum Ringmittelpunkt ausgerichtet sind.

Dabei sind in vorteilhafter Weise die Schlossteile als U-förmige Koppelelemente ausgebildet, die mit ihren zur Zylinderwand weisenden Hakenschenkeln in entsprechende - zum Ringmittelpunkt weisende - Haken-Ausnehmungen der Ölabstreif- segmente radial von innen nach außen eingreifen, wobei die äußeren Umfangsstirn- flächen der Ölabstreifsegmente bzw. deren Hakenteile ebenfalls radial zur Ringmitelache weisen und gleichzeitig zueinander einen im wesentlichen parallelen, geringfügigen Radialspalt einhalten. Somit können auch hier die Kraft- bzw. Wirkverhältnisse ähnlich ausgelegt werden wie beim unteren, zweiten Segmentring des vorbeschriebenen Dichtpakets, also die Dichtsegmente können in fast druckloser Anlage an der Zylinderwand gehalten werden, wodurch die Reibverluste unter gleichzeitiger Aufrecherhaltung der Ölabstreifwirkung des Ringes auf ein Minimum reduziert sind. Hierfür ist von Vorteil, wenn die Ölabstreifsegmente dieses Ringes an ihrer, der Zylinderwand zuweisenden Mantelfläche in bekannter Weise konisch nach unten in Richtung zum unteren Totpunkt (UT) des Hubkolbens sich erweiternd abgeschrägt ausgebildet sind.

Darüber hinaus sind die von den Mittelsenkrechten abweisend (tangential weisend) ausgerichteten Begrenzungsflächen der Schlossteile des Ölsegmentringes in ihrem radial Verlauf so angelegt, dass die Verlaufsgeraden einen mit der ideellen Winkelspitze zur Kolbenachse ausgerichteten Keil bilden und die Ölabstreifsegmente entsprechend diesem radial ausgerichteten Verlauf gleichfalls einen mit der ideellen Keilspitze zur Kolbenmittelachse weisenden Winkel bilden, dessen Verlaufsgeraden einen definierten Abstand zu den Verlaufsgeraden der jeweiligen Anlageflächen der Schlossteile aufweisen. Diese funktionelle Ausbildung entspricht dem Wirkprinzip der Kraftübertragung vom Schlossteil auf das Dichtsegment im oberen, ersten Segmentring, was nach der EP 987216B1 Stand der Technik ist. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass auch im Verlauf eines Ansaug-Vorganges bei Unterdruck im Funktionsraum überschüssiges Öl von der Zylinderwand abgestreift wird.

Es ist zweckmäßig, in diesem Dichtpaket mit den mindestens vier Segmentringen nunmehr in die Positionsfestlegung zueinander auch den Ölabstreif-Segmentring, mit einzubeziehen, aber nicht unbedingt notwendig. Hierfür ist in einem der Dichtsegmente des Ölabstreifringes eine mit den Nuten der darüber liegenden beiden Segmentringe korrespondierende Nut vorzusehen, in die ein gemeinsamer, entsprechend für die Höhe der drei Segmentringe ausgelegter, höherer Nutenstein einliegt. Es ist aber zu erkennen, dass dieser zusätzliche Ölabstreifring im (Vierer-) Dichtpa- ket nicht unbedingt einer Positionsfestlegung in Bezug auf die beiden darüber befindlichen, eine Dichtfunktion erfüllenden Segmentringe aufweisen muss, da er deren Dichtfunktion nicht beeinflusst.

Die Aufgabe wird auch durch einen Hubkolben für eine Hubkolbenmaschine gemäß Anspruch 13 gelöst, der mindestens ein Dichtpaket nach den Ansprüchen 1 bis 6 und 12 und mindestens einen üblichen Ölabstreifring, in eigener Kolbennut eingelegt, aufweist.

Schließlich wird gemäß Anspruch 14 ein Hubkolben für eine Hubkolbenmaschine bereitgestellt, der mindestens ein Dichtpaket nach den Ansprüche 7 bis 12 aufweist, also bei dem in nur einer Kolbennut ein Vierer-Dichtpaket, also ein Dichtpaket vorgesehen ist, in dem ein Ölabstreif-Segmentring als vierter, unterster Ring mit integriert ist.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele unter Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 : eine auseinander gezogene Perspektivdarstellung der Segmentringe des Dichtpakets in erster Ausführung mit drei Segmentringen,

Fig. 2: eine Radiai-Schnittansicht eines Hubkolbens mit einem Dichtpaket gemäß Fig. 1,

Fig. 3: eine auseinandergezogene Perspektivdarstellung der Segmentringe des Dichtpakets in zweiter Ausführung mit vier Segmentringen, d. h. mit integriertem Ölabstreifring,

Fig. 4: eine Radial-Ansicht eines Hubkolbens mit einem Dichtpaket gemäß Fig. 3,

Fig. 5: eine schematische Darstellung eines Ausschnittes aus einem ersten, unteren Segmentring eines Dichtpakets gemäß Stand der Technik, mit Darstellung der wirksamen Kräfte,

Fig. 6: den Ausbildungsverlauf des Übertragungsfaktors ClF,

Fig. 7: eine schematische Darstellung des Partialkräfteverlaufes der am Schlossteil anliegenden Wirkkraft in Abhängigkeit von der jeweiligen Wirkrichtung, Rg. 8: einen Ausschnitt eines zweiten, unteren Segmentringes, mit Darstellung des Kräfteverlaufs, Fig. 9: eine Draufsicht auf einen Ölabstreif-Segmentring des Dichtpakets gem.

Fig.3, Fig.10: einen Ausschnitt aus dem Ölabstreifring gem. Fig. 9.

Wie aus Fig. 1 und 2 zu entnehmen ist, besteht ein erfindungsgemäßes Dichtpaket 1 in erster Ausführung aus drei in axialer Aufeinanderfolge angeordneten Ringen und zwar einem zweiten, unteren Segmentring 10, einem ersten, oberen Segmentring 20 und einem Druck-Sicherungsring 30.

Aus Fig. 1 ist erkennbar, wie der zweite, untere Dicht-Segmentring 10, der die erfindungswesentlichen Merkmale aufweist, aus mehreren, hier jeweils vier Dichtsegmenten 11 und ebenso vielen Schlossteilen 12 zusammengesetzt ist. Die Dichtsegmente 11 und die Schlossteile 12 weisen an ihren jeweils in Umfangsrichtung benachbarten Enden hakenförmige Ausbildungen mit Anlageflächen 15 auf. So besitzen die Dichtsegmente 11 zwei nach innen weisende Haken 13, deren Einhakflächen jeweils zur Mittelachse des Dichtsegments weisen und in jeweils entsprechend nach außen weisende Haken 14 der Schlossteile 12 eingreifen, deren Einhakflächen zur Mittelachse des Schlossteils weisen. Dabei stehen die jeweils zusammenwirkenden beiden Haken 13, 14 über deren Anlageflächen 15 in Kontakt, über die eine Kraftübertragung von einem Segment auf das andere erfolgt. Die Schlossteile 12 sind dabei gegenüber dem Außenumfang der Dichtsegmente 11 radial nach innen zurückgesetzt angeordnet. Hierdurch wird eine Berührung der Schlossteile 12 an einer abzudichtenden Gegendichtfläche vermieden, welche in der Schnittdarstellung aus Fig. 2 beispielsweise von einer Zylinderwand 3 einer nicht dargestellten Kolbenmaschine gebildet wird. Die Mittelachse 5 des Dichtpakets 1 ist als axialer Bezug sowohl Mittelachse aller das Dichtpaket bildenden Segmentringe, als auch des Zylinders 3 und des Kolbens 4 der Hubkolbenmaschine; eine radiale Abhängigkeitsbestimmung bezieht sich vornehmlich auf den Verlauf der Mittelachse eines Ringsegmentes. Die Haken-Anlageflächen der Dichtsegmente 11 und der Schlossteile 12 weisen jeweils radial zur eigenen Mittelachse. Hierdurch werden zwischen den jeweiligen Dichtsegmenten 11 und Schlossteilen 12 die Berührungs- oder Gleitflächen (Anlageflächen) 15 gebildet, welche sich keilförmig radial nach außen erweitern. Weitere konstruktive und insbesondere wirkungsmässige Einzelheiten sind Fig. 8 zu entnehmen, die einen vergrößerten Ausschnitt aus diesem ersten, unteren Segmentring zeigt.

Der erste, obere Segmentring 20 besitzt ebenfalls in abwechselnder Anordnung Dichtsegmente 21 und Schlossteile 22. Die Schlossteile 22 sind auch hier gegenüber dem Außenumfang der Dichtsegmente 21 radial nach innen zurückgesetzt angeordnet. Auch bei diesem Segmentring wird hierdurch eine Berührung der Schlossteile 22 an einer abzudichtenden Gegendichtfläche vermieden. Die Schlossteile 22 erstrecken sich dabei über einen größeren Bogenbereich als die Dichtsegmente 21. Die Bogenerstreckungsgröße der Schlossteile 22 ist im Wesentlichen dadurch vorgegeben, dass die Bogenerstreckung der jeweiligen Dichtsegmente 21 derart gebildet sein muss, dass bei dem axial angrenzenden, unteren Segmentring 10 dessen Schlossteile 12 zuverlässig überdeckt sind. Bezogen auf die Mittelachse 5 verjüngen sich die Dichtsegmente 21 und die Schlossteile 22 im Vergleich zu den Dichtsegmenten 11 und Schlossteilen 12 auch hier in ein und dieselbe Richtung, nämlich in Richtung radial nach innen. Dabei werden jedoch die Partialkräfte der Schlossteile 22 auf Grund der bestehenden Keilflächenausbildung so auf die Dichtsegmente 21 übertragen, dass diese zuverlässig an der Zylinderwand anliegen.

Mit 35 ist insgesamt eine Verdrehsicherung bezeichnet, welche aus einer am Umfang der Segmentringe 10 und 20 vorgesehenen Nut-Feder-Verbindung besteht, die einerseits aus einer Nut 36 an einem der Dichtsegmente 11 des unteren Segmentringes 10, einer Nut 37 an einem der Schlossteile 22 des ersten Segmentringes 20 sowie einem Nutenstein 38 besteht, der in beide Nuten eingreift.

Schließlich weist das Dichtpaket 1 einen dritten Ring, den Druck-Sicherungsring 30 auf, der aus mindestens zwei Ringsegmenten 31 besteht, in axialem Schnitt gesehen keilförmig, sich in Richtung auf die Mittelachse verjüngend ausgebildet sind. Dieser Druck-Sicherungsring 30 hat die Funktion, den Verbund des Dichtpakets 1 aufrechtzuerhalten und insbesondere eine Bewegung der Segmentringe 10 und 20 des Dichtpakets 1 in axialer Richtung zu begrenzen. So wird verhindert, dass auf- grund einer Kippbewegung der Segmentabschnitte der Segmentringe durch Einwirkung von Masse- und Reibkräften der Dichtsegmente 11 und 21, insbesondere die radiale Dichtgrenzenausbildung zur Kolbenringnutanlage sich auflösen kann. Der Druck-Sicherungsring 30 kann sich in Abhängigkeit vom Arbeitsdruck derart bewegen, dass der Montagespalt und das Axialspiel kleiner werden.

Wie aus Fig. 2 zu entnehmen ist, befindet sich das Dichtpaket 1 in einer umlaufenden Kolben-Ringnut 6 eines Kolbens 4 eingelegt. Der Kolben 4 führt in einem oberen Arbeitsraum 7 eine hin- und hergehende Bewegung aus, wobei der Arbeitsraum 7 von der Zylinderwand 3 begrenzt wird, gegenüber der eine Abdichtung mittels des Dichtpakets 1 erfindungsgemäß vorzunehmen ist. Das Dichtpaket 1 ist mit eingesetzter Verdrehversicherung (hier nicht dargestellt) in diese umlaufende Nut 6 eingesetzt, wobei zwischen dem Nutgrund 8 und der Innenseite der Segmentringe 10 und 20 ein Zwischenraum vorhanden ist. Im Zylinder 4 ist unten in einer Ringnut 9 ein üblicher geschlitzter Ölabstreifring vorgesehen.

Fig. 3 zeigt ein zweites Dichtpaket 2, bei dem zusätzlich zu den im Zusammenhang mit dem Dichtpaket 1 beschriebenen drei Segmentringen, nämlich dem unteren zweiten Segmentring 10 mit den hakenförmigen Segmentenden, dem oberen ersten Segmentring 20 und dem darüber angeordneten, konischen Druck-Sicherungsring 30, noch ein weiterer, ganz unterer Segmentring und zwar der Ölabstreif- Segmentring 40 vorhanden ist. Dieser Segmentring 40 hat in dieser Ausführungsform vier Ölabstreif-Segmente 41 , die in Umfangsrichtung bis auf einen ganz geringen, radial weisenden Spalt 43 aneinander stoßen und durch Schlossteile 42, ähnlich den Schlossteilen des unteren zweiten Dicht-Segmentringes 20, zusammengehalten werden bzw. in Verbindung stehen. Diese Schlossteile 42 reichen aber nicht bis an den Außenumfang des Segmentringes 40 heran, sondern weisen eine flache U-Form auf und greifen mit ihren nach außen weisenden Segmentteil-Haken 44, mit radial zur Segment-Mittelachse verlaufenden Anlageflächen, in nach innen weisende Segmentteil-Haken 43 ein, die gleichfalls radial zur Mittelachse verlaufende Anlagefläche besitzen. Der Ölabstreif-Segmentring 40 ist ebenfalls an der Verdrehsicherung 35 beteiligt, wofür er an seinem Innenumfang eine Nut 39 aufweist, die identisch mit den Nuten 35 und 36 der Segmentringe 10 und 20 ausgebildet ist. Der in diese Nuten eingreifende Nutenstein 38 ist hier selbstverständlich um die Höhe des Ölabstreif-Segmentringes 40 höher ausgebildet. Nähere Einzelheiten zur Ausbildung des Ölabstreifringes 40 sind Fig. 9 zu entnehmen.

Fig.4 zeigt die Anordnung des aus Fig. 3 ersichtlichen Dichtpakets 2 in der Kolbenringnut 6, die hier um die Dicke des Ölabstreif-Segmentringes 40 höher ausgebildet ist. Dabei ist aber der Kolben 4 insgesamt einfacher ausgebildet, da eine zusätzliche, separate Ringnut für einen Ölabstreifring fehlt.

In Fig. 5 ist zur Veranschaulichung der an den Segmenten des zweiten, unteren Segmentringes des bekannten Dichtpakets nach der EP 0 937 216 B1 zur Wirkung kommenden Kräfte dieser nur ausschnittsweise schematisch dargestellt. Dieser Segmentring 50 besteht aus vier Dichtsegmenten 51 mit zwischengesetzten Schlossteilen 52, die sich entgegengesetzt radial nach innen bzw. außen keilförmig verjüngen. Dabei verjüngen sich die Dichtsegmente 51 radial nach innen und die Schlossteile 52 radial nach außen. Die hierbei an einem Schlossteil 52 in Richtung Keilspitze wirkende Kraft F_Sτ wird über ihre Partialkräfte PF_Sτ auf die jeweils anliegenden Flächen des Dichtsegmentes 51 übertragen.

Aus den Partialkräften PFST wird am Dichtsegment 51 eine neue, zusätzlich zur eigenen Gasdruckkraft wirkende Anpresskraft FDS ausgebildet, die dem Betrag nach ein Mehrfaches der ursprünglichen Schlossteilkraft betragen kann. Der Übertragungsfaktor ÜF der Schlossteilkräfte auf das Dichtsegment 51 ist abhängig von der Ausbildung der Anlagefläche 55, die durch den Verlauf einer (Anlage-) Geraden 16 bestimmt und definiert wird und die in ihrem Verlauf die Mittelachse 17 des Schlossteils 52 und die Mittelachse 18 des Dichtsegments 51 schneidet. Die dabei entstehenden Schnittwinkel sind bestimmend für die Ausbildung der jeweiligen Partialkräfte und deren Abgleich.

In Fig. 6 ist der graphische Verlauf des Übertragungsfaktors ÜF der Schlossteilkraft als Zweitkraftkomponente dargestellt mit Wirkung am Dichtsegment. Mit ansteigendem Keilwinkel des Schlossteils vermindert sich die zweite, am Dichtsegment in Richtung Zylinderwand zur Wirkung kommende Kraftkomponente, die mit der Primärkraft aus dem Arbeitsdruck resultierend, zu überlagern ist. Ab einem bestimmten Winkelwert stellt sich ein Richtungswechsel in der Wirkrichtung für diese zweite Kraftkomponente ein und es kann theoretisch die primär anliegende Wirkkraft des Dichtsegmentes völlig ausgeschaltet werden.

Mit der Darstellung der Fig.7 + 8 lassen sich die Schlussfolgerungen aus dem Kurvenverlauf gemäß Fig. 6 dahingehend erläutern und stützen, dass die Partialkräfte PFST des Schlossteiles 12 einmal als Druckkräfte bei Übertragungswinkeln bis zum Wert π und zum zweiten bei Übertragungswinkeln, die darüber hinaus gehen, als Zugkräfte an den Dichtsegmenten zur Wirkung kommen. Dementsprechend abhängig verläuft die Wirkrichtung der zweiten Kraftkomponente (F_Sτ(i+ιi)X ÜF) die mit der am Dichtsegment 11 anliegenden Gasdruckkraft F_Dso+ιi) zu überlagern ist.

Bei der konstruktiven Ausbildung der Einzelsegmente des erfindungsgemäßen, zweiten, unteren Segmentringes 10 ist somit von diesen Darstellungen (Fig. 7+8) auszugehen.

Fig. 9 zeigt einen Ausschnitt des zweiten, unteren Dicht-Segmentringes 10, der, wie in Verbindung mit Fig. 1 und 3 beschrieben, aus vier Dichtsegmenten 11 und ebenso vielen zwischengesetzten Schlossteilen 12 besteht. Dabei greifen die aneinander grenzenden Enden dieser Segmentteile 11, 12 hakenförmig ineinander, wobei die Dichtsegmente 11 radial nach innen weisende Dichtsegment-Haken 13 und die Schlossteile 12 radial nach außen weisende Schlosssegment-Haken 14 besitzen und über in Wirkkontakt stehen ihre Anlageflächen 15, durch welche die radial weisende Gerade 16 verläuft. Dadurch dass die jeweils zur eigenen Mittelachse 17 und 18 weisenden Anlageflächen 15 der Schlossteile 12 und Dichtsegmente 11 miteinander sich unterhaken und durch diese konstruktive Besonderheit die Partialkräfte des Schlossteils 12 als Zugkräfte auf das Dichtsegment 11 der Aufbau einer zweiten Kraftkomponente ermöglicht, die in ihrer Wirkung zur Verminderung der Anpresskraft führt, mit der das Dichtsegment 11 gegen die Zylinderwand 3 gepresst wird. Auf diese Weise lassen sich die Reibverluste über den zweiten, unteren Segmentring auch bei anspruchsvoller Wärmeabfuhranforderung auf ein absolut notwendiges Minimum reduzieren. Fig. 10 zeigt den Ölabstreif-Ring 40, der aus vier Ölabstreif-Segmenten 41 besteht und aus ebenso vielen Schlossteilen 42, die U-förmig ausgebildet sind und klammerartig von innen in die hakenförmigen Enden der Ölabstreif-Segmente 41 eingreifen. Deren Anlageflächen 45 entsprechen in der Ausbildung und Anordnung im wesentlichen dem Ausführungs- und Wirkprinzip der Schlossteile und Dichtsegmente des erfindungsgemäßen zweiten, unteren Segmentringes 10 (siehe Fig. 8): Da mit dem zweiten, unteren Segmentring 10 in Verbindung mit dem ersten, oberen Segmentring 20 die Dichtgrenzenausbildung sowohl in axialer als auch in radialer Richtung gesichert ist, können ein oder mehr Ölabstreif-Segmentringe 40 in der gleichen Kolbenringnut unterhalb des zweiten, unteren Segmentringes 10 positioniert werden, wenn durch den oder die Ölabstreif-Segmentringe 40 die Ausbildung einer radial wirksamen Dichtgrenze gesichert bleibt.

in Fig.11 wird - ergänzend zur Fig. 10 - ein vergrößerter Ausschnitt des Ölabstreif- ringes 40 gezeigt, der sich in der Ausbildung auf das Zusammenwirken der Öl- Schlossteile und der Ölabstreif-Segmente bei Gasdruckbeaufschlagung in Richtung Kolbenmittelachse bezieht. Die seitlich, radial bestehenden Begrenzungsflächen des Schlossteils 42 bilden in ihrer ideellen Verlaufsverlängerung einen mit der Spitze zur Kolbenmittelachse weisenden Keilwinkel. Die seitlich, radial bestehenden und den Begrenzungsflächen des Schlossteils gegenüberliegenden Begrenzungsflächen des Ölabstreif-Segmentes 41 bilden gleichfalls in ihrer ideellen Verlaufsverlängerung einen mit der Spitze zur Kolbenmittelachse weisenden Keilwinkel. Zwischen diesen beiden Begrenzungsflächen ergibt sich ein konstruktiv vorgebbarer Spalt 48. Da die Wirkkraft des Schlossteils 42 gemäß dem Funktionsprinzip des ersten, oberen Segmentringes nach der EP 937216 B1 als sich aufbauende Keilkräfte über die Anlageflächen der seitlich, radial bestehenden Begrenzungsflächen auf das Ölab- streif-Segment 41 übertragen werden, bleibt die Ölabstreifwirkung auch bei Unterdruck im Arbeitsraum (7) erhalten.

Als Vorteil für einen verminderten Ölverbrauch erweist sich die Ausbildung eines konisch sich erweiternden Abschrägungsverlaufes 47 der stirnseitigen Flächen der Ölabstreif-Segmente 41gegenüber der Zylinderwand 3, wie aus Fig. 4 ersichtlich ist. B e z u g s z e i c h e n l i s t e

1. Dichtpaket, erstes 35. Verdrehsicherung

2. Dichtpaket, zweites 36. Nut

3. Zylinderwand 37. Nut

4. Kolben 38. Nutenstein

5. Mittelachse 39. Nut

6. Kolbenringnut 40. Ölabstreif-Segmentring

7. Arbeitsraum 41. Ölabstreifsegment

8. Nutgrund 42. Schlossteil

9. Nut 43. Ölabstreif-Haken

10. Segmentring, zweiter, unten 44. Schlossteil-Haken

11. Dichtsegment 45. Anlagefläche

12. Schlossteil 46. Spalt

13. Dichtsegment, Haken 47. Abschrägung

14. Schlossteil, Haken 48. Spalt

15. Anlagefläche 49. -

16. Anlage-Gerade 50. Segmentring, Stand der Technik

17. Mittellinie, Schlossteil 51. Dichtsegment

18. Mittellinie, Dichtsegment 52. Schlosssegment

19. .— 53. Anlagefläche

20. Segmentring, erster, oberer α = Keilwinkel Schlossteil

21. Dichtsegment ß = Keilwinkel Dichtsegment

22. Schlossteil

23. — & = halber Teilungswinkel = 45°

24. — PF_ST = Partialkräfte Schlossteil

25. Anlageflächen F_Sτ = Aήpresskraft Schlossteil

26. Anlagegerade F_DS = Anpresskraft Dichtsegment

27. ölabstreifring F_DSH = zweite Wirkkomponente am Dicht

28. , 29. - segment

30. Druck-Sicherungsring F_DS_Res = resultierende Gesamtanpresskraft

31. Ringsegment Dichtsegment

32. — ÜF = Übertragungsfaktor

33. Trennfläche WRS = Wirkrichtung Schlossteil

34. WRD = Wirkrichtung Dichtsegment

Claims

P a te n t a n s p r ü c h e

1. Dichtpaket, insbesondere für Hubkolbenmaschinen, welches in eine umlaufende Nut eines Hubkolbens derselben einlegbar ist,

- mit axial aneinanderliegend mindestens einem zweiten(unteren) und darüber mindestens einem ersten (oberen) Segmentring (10 und 20), die jeweils mindestens zwei Dichtsegmente und abwechselnd dazwischen angeordnete Schlossteile aufweisen,

- wobei die Dichtsegmente des jeweils einen Segmentringes die Schlossteile des jeweils axial angrenzenden Segmentringes des Dichtpakets überdecken,

- und wobei sich die Dichtsegmente und die Schlossteile des ersten (oberen) Segmentringes radial nach innen keilförmig verjüngen und im Unterschied zu den Dichtsegmenten mit der Anlage des äußeren Ausbildungsbogens an die Zylinderwand die äußeren Ausbildungsbogen der Schlossteile radial etwas zurückgesetzt sind und sich über einen größeren Ausbildungsbereich erstrecken als die Dichtsegmente,

- mit einem konischen Druck-Sicherungsring axial oberhalb der Segmentringe, sowie

- mit einer zwischen den zwei Segmentringen wirkenden Verdrehsicherung, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,

- dass beim mindestens einen zweiten (unteren) Segmentring (10) die in Umfangs- richtung aneinandergrenzenden Enden der Dichtsegmente (11) und der Schlossteile (12) sich hakenförmig radial hintergreifen,

- wobei die Dichtsegmente (11) mit nach innen weisenden Haken (13) und die Schlossteile (12) mit nach außen weisenden Haken (14) ausgebildet sind,

- und wobei die Haken (13, 14) jeweils eine zusammenwirkende Einhak- und Anlagefläche (15) aufweisen, die verlängert als Anlage-Geraden (16) in radialer Richtung jeweils einen Schnittpunkt auf der Mittellinie (17) des Schlossteils (12) und einen Schnittpunkt auf der Mittellinie (18) des Dichtsegmentes (11) bilden, die zusammenfallen können, radial zur Ringmittelachse weisend.

2. Dichtpaket nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdrehsicherung eine Zusammenwirkungsverbindung mit wenigstens einem Schlossteil (22) des einen Segmentringes (20) und einem Dichtsegment (11) des anderen Segmentringes (10) herstellt und aus mindestens einer am Innenumfang der Segmentringe angeordneten Nut- und Feder-Verbindung (36, 37, 38) besteht.

3. Dichtpaket nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut-Feder-Verbindung aus jeweils einer Innen-Umfangsnut (36 und 37) in einem unteren Dichtsegment (11) und im axial darüber befindlichen Schlossteil (22) und einem axial ausgerichtet in beide Nuten (36, 37) eingreifenden Feder-Nutenstein (38) besteht, der frei in der Kolbennut (6) einliegt.

4. Dichtpaket nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Teilungswinkel θ eines Segmentringaufbaues mit dem Quotienten des Winkelmaßes π und der Anzahl der Dichtsegmente bzw. Schlossteile eines Segmentringes übereinstimmt.

5. Dichtpaket nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Segmentringe (20 bzw. 20) jeweils aus vier Dichtsegmenten (11 bzw. 21) und vier Schlossteilen (12 bzw. 22) zusammengesetzt sind.

6. Dichtpaket nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Druck-Sicherungsring (30) aus mindestens zwei Ringsegmenten (31) besteht und vorzugsweise an seiner den axial darunter anliegenden Segmentringen zugewandten Anlagefläche Oberflächenunterbrechungen besitzt, wie Ausnehmungen, Entastungsnuten (32) oder dergleichen, zur axialen Druckentlastung.

7. Dichtpaket nach Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in diesem zusätzlich der Ölabstreifring (40) des Kolbens als ein unterster Ölab- streifring-Segmentring (40) mit aufgenommen ist, der mindestens zwei Dichtsegmente (41) und ebenso viele Schlossteile (42) aufweist, wobei der Ölabstreif-Segment- ring (40) axial unterhalb des unteren, zweiten Dicht-Segmentringes (10), in Anlage mit diesem, angeordnet ist und die das Dichtpaket (2) aufnehmende Kolbennut (6) entsprechend der Dicke des Ölabstreif-Segmentringes (40) höher ausgelegt ist.

8. Dichtpaket nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Ölabstreif-Segmentring (40) vorzugsweise aus der gleichen Anzahl, vorzugsweise jeweils vier Ölabstreif-Segmenten (41) und Schlossteilen (42) besteht, deren in Umfangsrichtung weisenden Enden sich hakenförmig (43, 44) radial hintergreifen, wobei die gegenseitigen Haken-Anlagenflächen (45) radial (zur eigenen Segmentmittelachse) ausgerichtet sind.

9. Dichtpaket nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlossteile (42) als U-förmige Koppelelemente ausgebildet sind, die mit ihren zur Zylinderwand (3) weisenden Haken-Schenkel (44) in entsprechende, zum Ringmittelpunkt weisende Haken-Ausnehmungen der Ölabstreifsegmente radial von innen nach außen eingreifen, wobei die Umfangsstirnflächen der Ölabstreifsegment- Haken (43) und gleichzeitig der Ölabstreifsegmente radial zur Ringmittelachse weisen und zueinander im wesentlichen parallel, mit geringfügigem Radial-Spalt (46), aneinander angrenzen.

10. Dichtpaket nach den Ansprüchen 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ölabstreifsegmente (41) des Ölabstreifsegmentringes (40) an ihrer der Zylinderwand (3) zuweisenden Mantelfläche in an sich bekannter Weise konisch sich nach unten in Richtung zum unteren Todpunkt (UT) des Hubkolbens erweiternd abgeschrägt ausgebildet sind.

11. Dichtpaket nach den Ansprüchen 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die radial weisenden äußeren Begrenzungen des Schlossteils (42) eine mit der ideellen Keilspitze zum Kolbenmittelpunkt ausgerichtete Keilform aufweist, die zu einer entsprechenden Anlagefläche in Keilausbildung eines benachbarten Ölabstreif- Segments (41) einen minimalen Spalt (48) bildet und bei Kraftbeaufschlagung in Richtung Kolbenachse zur Anlage an die entsprechende Ausbildung des Ölabstreif- Segmentes (41) kommt und gegen die Zylinderwand drückt.

12. Dichtpaket nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zwischen den Dicht-Segmentringen (10, 20) vorgesehene Verdrehsicherung (36, 37, 38) auch zum Zusammenwirken mit dem Ölabstreif-Segmentring (40) ausgelegt ist, wobei in dessen mindestens einem Ölabstreifsegment (41) eine entsprechende Nut (39) vorgesehen ist, die gleich und fluchtend mit den entsprechenden Nuten (36, 37) der darüber befindlichen Dicht-Segmentringe ausgelegt ist, während der Nutenstein/Feder (38) entsprechend um die Dicke des Öl-abstreif-Segmentringes (40) höher ausgelegt ist.

13. Hubkolben für eine Hubkolbenmaschine, der mindestens eine an seinem Umfang umlaufende Nut aufweist, in welche den Kolben gegen die Zylinderwand abdichtende Dichtpakete oder Ölabstreifringe einlegbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Ringnut (6) im Hubkolben (4) ein Dichtpaket (1) mit drei Segmentringen (10, 20, 30) nach den Ansprüchen 1 bis 6 und in Ringnuten (9) mindestens ein üblicher Ölabstreifring (27) vorgesehen sind.

14. Hubkolben für eine Hubkolbenmaschine, der mindestens eine an seinem Umfang umlaufende Nut aufweist, in welche den Kolben gegen die Zylinderwand abdichtende Dichtpakete oder Ölabstreifringe einlegbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Ringnut (6) der Hubkolben (40) ein Dichtpaket (2) mit vier Segmentringen (10, 20, 30, 40) nach den Ansprüchen 1 und 12 aufweist und dass keine separate Ringnut (9) mit einem üblichem Ölabstreifring vorgesehen ist.