WO2020221679A1 - Dichtungsanordnung für kolbenkompressoren - Google Patents

Dichtungsanordnung für kolbenkompressoren Download PDF

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sealing
shaped
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elastically deformable
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Christian Stoeckel
Christiane Thomas
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Technische Universität Dresden
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    • 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
    • F04B39/04—Measures to avoid lubricant contaminating the pumped fluid
    • F04B39/041—Measures to avoid lubricant contaminating the pumped fluid sealing for a reciprocating rod
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F04B39/12—Casings; Cylinders; Cylinder heads; Fluid connections
    • F04B39/121—Casings

Definitions

  • the invention relates to a sealing arrangement for reciprocating compressors, in particular non-lubricated reciprocating compressors or reciprocating reciprocating compressors of the cross-head design.
  • the sealing chambers of, for example, piston rod packings there is usually a free gap between the actual sealing element that is exposed to friction, which is compressed gas during operation
  • Piston or piston rod internal cooling represent complex technical solutions and they are only suitable for large-dimensioned piston compressors and / or suitable for large temperature differences.
  • the seal arrangement for reciprocating compressors is in a
  • Groove-shaped sealing chamber arranged at least one annular sealing element and is designed so that it is with its surface arranged radially in the direction of the respective surface of a friction partner with the surface of the friction partner, in particular a piston rod in
  • BO is in touching contact. There is also a cavity between the
  • At least one sealing element and a bottom (bottom) of the groove-shaped sealing chamber which is filled with compressed gas during operation of the reciprocating compressor.
  • Sealing element is a molded part which prestresses the sealing element with the application of pressure force against the surface of the friction partner and is formed from or with a metallic material.
  • the molded part should not completely fill the volume between the bottom of the groove-shaped sealing chamber and the at least one sealing element, or at least one open cavity can be formed in the molded part so that compressed gas can be present there during operation of the reciprocating compressor.
  • the molded part should be elastically deformable.
  • at least one elastically deformable area can be present on the molded part.
  • At least one spring element can be elastic on at least one
  • attack deformable area and thereby compressive forces can act on the respective elastically deformable area and the at least one
  • Sealing element are exercised in the direction of the respective surface of the friction partner.
  • the molded part can have a T-shaped or double-T-shaped cross section and at least one leg and / or a region of a molded part designed in this way can form an elastically deformable region.
  • a spring element can act on at least one leg of a molded part with a T-shaped or double-T-shaped cross section or be supported there.
  • the spring element can for example be a leaf spring.
  • a leaf spring can have one end face on one leg of a molded part
  • the two end faces of a leaf spring can each be supported on one leg.
  • the leaf spring is longer than the distance between the bottom of the groove-shaped sealing chamber and the a leg of a molded part with a T-shaped cross-section or the
  • a spring element and thus also a leaf spring should have a linear and / or a spring characteristic curve with a small rise so that the pressure forces acting between the at least one sealing element and the surface of the friction partner can be kept constant even when material has been removed due to wear on the friction surfaces.
  • the molded part can be formed from or with elastically deformable plastic, which as such has good thermal conductivity, so that good thermal conductivity can be achieved for better heat dissipation from the area of a piston compressor that is particularly stressed by friction.
  • fibers made of a material with higher thermal conductivity can be advantageous
  • the fibers can for example be made of copper, bronze, or aluminum
  • Carbon nanotubes mixed with fillers Carbon nanotubes mixed with fillers.
  • Sealing elements are dispensed with, which reduces costs.
  • the overall wear can be reduced since the temperatures occurring in the particularly critical areas and in particular on the sealing elements can be reduced considerably as a result of the better heat dissipation.
  • Figure 1 in a schematic representation of an example of a
  • a molded part 4 with a double-T-shaped cross-section is inserted in a groove-shaped sealing chamber 1 in such a way that one of its legs rests on one end face of the bottom of the sealing chamber 1.
  • Sealing chamber 1 three ring-shaped sealing elements 2 are also used, so that they are held and guided in a form-fitting manner within the groove-shaped sealing chamber 1.
  • the sealing elements 2 are designed in such a way that they are pressed against the surface of the respective friction partner 3 with their surfaces pointing radially in the direction of the friction partner 3 by means of a pressure force.
  • the surface of the sealing elements 2 facing the molded part 4 rests on the molded part 4. You touch the facing in this direction surface of one leg of the double-T-shaped molded part 4.
  • the sealing elements 2 are permanently on the surface of the leg on one side and on the opposite surface on the surface of the
  • the molded part 4 consists of elastically deformable plastic in which fibers made of copper are embedded.
  • the legs of the molded part 4 with a double-T-shaped cross section are dimensioned such that they can be elastically deformed with the compressive force of the spring element 4.2.
  • compressive forces act on the sealing elements 2 in the direction of the surface of the friction partner 3, which increase the contact pressure of the sealing elements 2 against the surface of the respective friction partner 3.
  • two spring elements 4.2 are present, the end faces of which are attached to the legs of the molded part 4 with double-T support shaped cross-section. Since the spring elements 4.2 are longer than the distance between the legs, compressive forces act on the legs 4.1.
  • the material of the molded part 4 arranged between the legs 4.1 forms an elastically deformable area. So the pressure forces from
  • Molded part 4 are transferred to the sealing elements 2 and the contact pressure of the radially outer surfaces of the sealing elements 2 against the surface of the friction partner S is increased, including that due to friction
  • Reciprocating compressor compressed gas can be present.

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Abstract

Bei der Dichtungsanordnung für Kolbenkompressoren ist in einer nutenförmigen Dichtungskammer (1) mindestens ein ringförmiges Dichtelement (2) angeordnet und so ausgebildet, dass es mit seiner radial in Richtung auf die jeweilige Oberfläche eines Reibpartners (3) weisenden Oberfläche, insbesondere einer Kolbenstange in berührendem Kontakt steht und ein Hohlraum zwischen dem mindestens einen Dichtelement (2) und einem Boden der nutenförmigen Dichtungskammer (1) vorhanden ist, der mit komprimiertem Gas während des Betriebs des Kolbenkompressors gefüllt ist. Im Hohlraum zwischen dem Boden der nutenförmigen Dichtungskammer (1) und der in Richtung Boden der nutenförmigen Dichtungskammer (1) zugewandten Oberfläche des Dichtelements (2) ist ein das mindestens eine Dichtungselement (2) mit Druckkraftbeaufschlagung gegen die Oberfläche des Reibpartners vorspannende Formteil (4), das aus oder mit einem metallischen Werkstoff gebildet ist, angeordnet.

Description

Dichtungsanordnung für Kolbenkompressoren
Die Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung für Kolbenkompressoren, insbesondere ungeschmierte Kolbenkompressoren oder Hubkolbenverdichter in Kreuzkopfbauart.
Bei thermisch hoch beanspruchten Elementen, insbesondere Dichtelementen von Kolbenkompressoren ist üblicherweise eine Kühlung erforderlich.
Außerdem soll eine effektive und wirkungsvolle Abführung von Wärme aus diesen kritischen Bereichen möglich sein.
So sind verschiedene technische Lösungen bekannt, bei denen eine Kolben- und Kolbenstangenkühlung, die die Reibungswärme zwischen Dichtelement und einer Kolbenstange bzw. einem Kolben abführen können, bekannt, die als Innenkühlung ausgeführt sind. Der besonders kritische Bereich in dem
Reibung und dadurch eine erhöhte Erwärmung auftritt, kann so aber nur unbefriedigend gekühlt werden. In Dichtungskammern von z.B. Kolbenstangenpackungen ist zwischen dem eigentlichen Dichtelement, das der Reibung ausgesetzt ist, üblicherweise ein freier Spalt vorhanden, der während des Betriebs mit komprimiertem Gas
5 gefüllt ist. Dieser mit Gas gefüllte Bereich erfüllt aber die Funktion eines
thermischen Isolators, so dass Wärme vom Dichtelement, insbesondere einem Dichtring nur schlecht abgeführt werden kann. Die erreichbare
Kühlwirkung bei einem gekühlten Dichtungsgehäuse ist wegen des thermisch isolierenden Gaspuffers zwischen der Wärmequelle und einer Wärmesenke
10 nur gering.
Kolben- bzw. Kolbenstangeninnenkühlungen stellen aufwändige technische Lösungen dar und sie sind nur für großdimensionierte Kolbenverdichter geeignet und/oder bei großen Temperaturdifferenzen geeignet.
15
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten für eine verbesserte Wärmeabfuhr aus kritischen, durch Reibung beanspruchte Dichtbereichen von Kolbenkompressoren anzugeben.
20 Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Dichtungsanordnung, die die
Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
25 Bei der Dichtungsanordnung für Kolbenkompressoren ist in einer
nutenförmigen Dichtungskammer mindestens ein ringförmiges Dichtelement angeordnet und so ausgebildet ist, dass es mit seiner radial in Richtung auf die jeweilige Oberfläche eines Reibpartners angeordneten Oberfläche mit der Oberfläche des Reibpartners, insbesondere einer Kolbenstange in
BO berührendem Kontakt steht. Außerdem ist ein Hohlraum zwischen dem
mindestens einen Dichtelement und einem Boden (Grund) der nutenförmigen Dichtungskammer vorhanden, der mit komprimiertem Gas während des Betriebs des Kolbenkompressors gefüllt ist.
35 Im Hohlraum ist zwischen dem Boden (Grund) der nutenförmigen
Dichtungskammer und der in Richtung Boden (Grund)der nutenförmigen Dichtungskammer zugewandten Oberfläche des mindestens einen
Dichtelements ein das Dichtungselement mit Druckkraftbeaufschlagung gegen die Oberfläche des Reibpartners vorspannendes Formteil, das aus oder mit einem metallischen Werkstoff gebildet ist, angeordnet.
Das Formteil sollte das Volumen zwischen dem Boden der nutenförmigen Dichtungskammer und dem mindestens einen Dichtelement nicht vollständig ausfüllen oder im Formteil kann mindestens ein offener Hohlraum ausgebildet sein, so dass dort ein, während des Betriebes des Kolbenkompressors, komprimiertes Gas vorhanden sein kann.
Das Formteil sollte elastisch verformbar sein. Dazu kann am Formteil mindestens ein elastisch verformbarer Bereich vorhanden sein.
Mindestens ein Federelement kann an mindestens einem elastisch
verformbaren Bereich angreifen und dadurch können Druckkräfte auf den jeweiligen elastisch verformbaren Bereich und das mindestens eine
Dichtelement in Richtung auf die jeweilige Oberfläche des Reibpartners ausgeübt werden.
Das Formteil kann einen T-förmigen oder Doppel-T-förmigen Querschnitt aufweisen und mindestens ein Schenkel und/oder ein sich an einen Schenkel anschließender Bereich eines so ausgebildeten Formteils kann einen elastisch verformbaren Bereich bilden.
Ein Federelement kann an mindestens einem Schenkel eines Formteils mit T-förmigem oder Doppel-T-förmigem Querschnitt angreifen oder sich dort abstützen.
Das Federelement kann beispielsweise eine Blattfeder sein. Eine Blattfeder kann sich mit einer Stirnseite an einem Schenkel eines Formteils mit
T-förmigem Querschnitt und mit der anderen Stirnseite am Boden der nutenförmigen Dichtungskammer abstützen. Bei einem Formteil mit Doppel- T-förmigem Querschnitt können sich die beiden Stirnseiten einer Blattfeder an jeweils einem Schenkel abstützen. Dazu ist die Blattfeder länger als der Abstand zwischen dem Boden der nutenförmigen Dichtungskammer und dem einen Schenkel eines Formteils mit T-förmigem Querschnitt oder dem
Abstand zwischen zwei Schenkeln eines Formteils mit Doppel-T-förmigem Querschnitt.
Ein Federelement und also auch eine Blattfeder sollte eine möglichst lineare und/oder eine Federkennlinie mit kleinem Anstieg aufweisen, so dass die zwischen dem mindestens einen Dichtelement und der Oberfläche des Reibpartners wirkenden Druckkräfte auch bei aufgetretenem Werkstoffabtrag infolge Verschleiß an den Reibflächen konstant gehalten werden können.
Mit mindestens einem Federelement ist eine zusätzliche Anpressung des Dichtelementes an die jeweilige Oberfläche des jeweiligen Reibpartners möglich. Es ist eine Nachstellwirkung bei aufgetretenem Verschleiß erreichbar.
Das Formteil kann aus oder mit elastisch verformbarem Kunststoff gebildet sein, der als solcher eine gute thermische Leitfähigkeit aufweist, so dass eine gute thermische Leitfähigkeit für eine bessere Wärmeabfuhr aus dem besonders durch Reibung beanspruchten Bereich eines Kolbenkompressors erreicht werden kann. Zur Erhöhung der thermischen Leitfähigkeit können vorteilhaft Fasern, die aus einem Material mit höherer thermischer
Leitfähigkeit, als der Kunststoff gebildet sind, eingebettet sein. Die Fasern können beispielsweise aus Kupfer, Bronze, Aluminium oder auch mit
Füllstoffen versetzte Kohlenstoffnanoröhrchen sein.
Bei Einsatz der Erfindung kann ggf. auf zusätzliche Ringfedern an
Dichtelementen verzichtet werden, was die Kosten reduziert.
Der Verschleiß kann insgesamt reduziert werden, da in den besonders kritischen Bereichen und insbesondere an den Dichtelementen die auftretenden Temperaturen infolge der besseren Wärmeabführung erheblich verringert werden können.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden. Dabei zeigt:
Figur 1 in schematischer Darstellung ein Beispiel einer
erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung.
Bei der in Figur 1 gezeigten Dichtungsanordnung ist in einer nutenförmigen Dichtkammer 1 ein Formteil 4 mit Doppel-T-förmigem Querschnitt so eingesetzt, dass es an einer Stirnseite am Boden der Dichtkammer 1 mit einem seiner Schenkel anliegt.
In die umlaufende um eine Kolbenstange nutenförmig ausgebildete
Dichtkammer 1 sind außerdem drei ringförmige Dichtelemente 2 eingesetzt, so dass sie formschlüssig innerhalb der nutenförmigen Dichtkammer 1 gehalten und geführt sind. Die Dichtelemente 2 sind dabei so ausgeführt, dass sie mittels Druckkraftwirkung mit ihren radial in Richtung Reibpartner 3 weisenden Oberflächen gegen die Oberfläche des jeweiligen Reibpartners 3 gepresst werden.
Die Dichtelemente 2 liegen mit der zum Formteil 4 weisenden Oberfläche am Formteil 4 an. Sie berühren dabei die in diese Richtung weisende Oberfläche des einen Schenkels des Doppel-T-förmigen Formteils 4. Dabei liegen die Dichtelemente 2 permanent an der Oberfläche des Schenkels an einer Seite und an der gegenüberliegenden Oberfläche an der Oberfläche des
Reibpartners 3 an.
Das Formteil 4 besteht bei diesem Beispiel aus elastisch verformbarem Kunststoff, in dem Fasern aus Kupfer eingebettet sind.
Die Schenkel des Formteils 4 mit Doppel-T-förmigem Querschnitt, sind so dimensioniert, dass sie mit der Druckkraft des Federelements 4.2 elastisch verformt werden können. Dadurch wirken Druckkräfte auf die Dichtelemente 2 in Richtung der Oberfläche des Reibpartners 3, die den Anpressdruck der Dichtelemente 2 gegen die Oberfläche des jeweiligen Reibpartners 3 erhöhen.
Bei dem gezeigten Beispiel sind zwei Federelemente 4.2 vorhanden, die sich mit ihren Stirnseiten an den Schenkeln des Formteils 4 mit Doppel-T- förmigem Querschnitt abstützen. Da die Federelemente 4.2 länger sind als der Abstand zwischen den Schenkeln, wirken Druckkräfte auf die Schenkel 4.1.
Das zwischen den Schenkeln 4.1 angeordnete Material des Formteils 4 bildet einen elastisch verformbaren Bereich. So können die Druckkräfte vom
Formteil 4 auf die Dichtelemente 2 übertragen werden und der Anpressdruck der radial äußeren Oberflächen der Dichtelemente 2 gegen die Oberfläche des Reibpartners S erhöht werden und dabei auch der durch Reibung
aufgetretene Werkstoffabtrag an diesen auf Reibung beanspruchten
Oberflächen kompensiert werden, wobei die dort wirkenden Druckkräfte über die Lebendauer trotz aufgetretenem Verschleiß konstant gehalten werden sollten.
Zwischen den Schenkeln des Formteils 4 mit Doppel-T-förmigem Querschnitt ist ein Hohlraum vorhanden, in dem während des Betriebes eines
Kolbenkompressors komprimiertes Gas vorhanden sein kann.
Da sich die Wandung der nutenförmigen Dichtkammer 1, das Formteil 4, die Dichtelemente 2 und die Oberfläche des Reibpartners 3 ständig berühren, kann eine verbesserte Wärmeabführung aus dem kritischen durch Reibung beanspruchten Bereich durch verbesserte Wärmeleitung erreicht werden.

Claims

Patentansprüche
1. Dichtungsanordnung für Kolbenkompressoren, bei der in einer nuten förmigen Dichtungskammer (1) mindestens ein ringförmiges Dichtele ment (2) angeordnet und so ausgebildet ist, dass es mit seiner radial in Richtung auf die jeweilige Oberfläche eines Reibpartners (3) weisen den Oberfläche, insbesondere einer Kolbenstange in berührendem Kontakt steht und ein Hohlraum zwischen dem mindestens einen Dichtelement (2) und einem Boden der nutenförmigen Dichtungs kammer (1) vorhanden ist, der mit komprimiertem Gas während des Betriebs des Kolbenkompressors gefüllt ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
im Hohlraum zwischen dem Boden der nutenförmigen Dichtungskam mer (1) und der in Richtung Boden der nutenförmigen Dichtungskam mer (1) zugewandten Oberfläche des Dichtelements (2) ein das min destens eine Dichtungselement (2) mit Druckkraftbeaufschlagung ge gen die Oberfläche des Reibpartners vorspannende Formteil (4), das aus oder mit einem metallischen Werkstoff gebildet ist, angeordnet ist
2. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Formteil (4) das Volumen zwischen dem Boden der nutenförmigen Dichtungskammer (1) und dem mindestens einen Dichtelement (2) nicht vollständig ausfüllt oder im Formteil (4) mindestens ein offener Hohlraum ausgebildet ist, so dass dort ein während des Betriebes des Kolbenkompressors komprimiertes Gas vorhanden ist.
3. Dichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass das Formteil (4) elastisch verformbar ist.
4. Dichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass am Formteil (4) mindestens ein elastisch verformbarer Bereich (4.1) vorhanden ist.
5. Dichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass das Formteil (4) mit T-förmigem oder Doppel-T-förmigem Querschnitt ausgenbildet ist und mindestens ein Schenkel (41.1) einen elastisch verformbaren Bereich bildet.
6. Dichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass mindestens ein Federelement (4.2) an mindestens einem elastisch verformbaren Bereich angreift, und da durch Druckkräfte auf den jeweiligen elastisch verformbaren Bereich und das mindestens eine Dichtelement (2) in Richtung auf die jeweilige Oberfläche des Reibpartners (3) ausübbar sind.
7. Dichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass das Formteil (4) mit T-förmigem oder Doppel-T-förmigem Querschnitt ausgenbildet ist und mindestens ein Schenkel (4.1) oder ein sich an einen Schenkel (4.1) anschließender Be reich einen elastisch verformbaren Bereich bildet.
8. Dichtungsanordnung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass ein Federelement (4.2) an mindestens einem Schenkel eines mit T-förmigem oder Doppel-T-förmigem Querschnitt ausgebildeten Formteils (4) angreift oder sich dort abstützt.
9. Dichtungsanordnung nach einem der zwei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (4.2) eine Blattfeder ist.
10. Dichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass das Formteil (4) aus oder mit einem elas tisch verformbaren Kunststoff gebildet ist.
11. Dichtungsanordnung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass in dem elastisch verformbaren Kunststoff mit Fa sern, die die thermische Leitfähigkeit des Kunststoffs erhöhen, einge bettet sind.
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