Verfahren für den Betrieb eines Labyrinthkolben-Kompressors und Kompressor zur Durchführung des Verfahrens Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren für den Betrieb eines Kolbenkompressors zum Fördern von gasförmigem Medium, welcher Kompressor einen am Umfang Dichtungslabyrinthe aufweisenden, schmiermittelfrei im Zylinder arbeitenden Kolben be sitzt. Ferner bezieht sich die Erfindung auf einen Kolbenkompressor zur Durchführung des Verfahrens.
Bei bisherigen Kompressoren dieser Art wird der Kolben ausschliesslich durch die ausserhalb des Zylin ders liegenden Führungen, nämlich durch die Kreuz kopfführung und durch eine an der Kolbenstange angreifende Führung, im Zylinder zentriert.
Demgegenüber besteht das erfindungsgemässe Verfahren darin, dass während des Betriebes in dem Spalt zwischen Kolben und Zylinder auf den Kolben eine radial nach innen gerichtete Kraft erzeugt wird, welche auf der Seite einer bei Exzentrizität des Kol bens eintretenden Spaltverkleinerung selbsttätig an wächst. Als Zentrierkraft kommt jede von aussen einwirkende oder im Kompressor durch besondere Massnahmen erzeugte Radialkraft in Betracht, z. B. eine auf aerodynamischem Weg erzeugte, gegebenen falls unter Einleitung von fremdem Gas hervorge rufene oder auch eine unmittelbar von aussen wir kende, etwa magnetische Kraft in Betracht.
Bei dem Kompressor zur Durchführung des Ver fahrens sind in weiterer Erfindung mindestens an einem der beiden Teile Kolben und Zylinder Radial kraft auf den Kolben erzeugende Mittel zur aero dynamischen Zentrierung des Kolbens mit Hilfe von gasförmigem Medium vorgesehen. Die Radialkraft- Erzeugungsmittel können z. B. in am Kolbenumfang angebrachten Zentrierkammern, welche mit aus dem Kompressionsraum oder einer fremden Druckquelle stammendem Gas gespeist sind, oder in konischen Zentrierteilen des Kolbens, an welchen das Gas aus dem Kompressionsraum oder - z.
B. beim Anfahren - über die Kolbenstange zugeführtes Fremdgas wäh rend des Kolbenhubes, besonders während des Kom pressionshubes vorbeiströmt, bestehen.
Bei Maschinen mit geringem Kolbenspiel und während des Betriebes auftretendem Abrieb der Labyrinthe, also praktisch mit während des Be triebes allmählich anwachsendem Spiel, wird durch die Zentrierung der Abrieb vermindert, so dass das anfänglich geringe Spiel länger erhalten bleibt und der Kolben bzw. sein Labyrinthmantel weniger oft erneuert zu werden braucht. Soll möglichst hoher Druck oder guter Liefergrad mit der Maschine er zielt werden, so kann das anfängliche Spiel zwischen Kolben und Zylinder geringer als bisher gehalten werden.
Muss die Maschine auf einem weniger stabilen Fundament aufgestellt werden oder treten aus son stigen Gründen Schwingungen des Kolbens oder Zylinders während des Betriebes auf, so führen sie bei Zentrierung weniger leicht zu Kolbenberührung und Abrieb der Labyrinthe.
Gegebenenfalls sind die Zentriermittel für den Kolben ausser der Kreuzkopfführung für die Kolben stange die einzige Führung für Kolben und Kolben stange. Auf eine zwischen Kolben und Kreuzkopf angeordnete, an der Kolbenstange angreifende Füh rung kann dann verzichtet werden. Dadurch wird die Bauart des Kompressors, gedrungener.
Während bei bisherigen Labyrinthkolben-Kom- pressoren praktisch die ganze Kolbenlänge mit Dich- tungslabyrinthen überdeckt ist, wird bei dem erfin dungsgemässen Kompressor im allgemeinen ein Teil der Kolbenlänge zur Anbringung der Radialkraft- Erzeugungsmittel (Zentriermittel) herangezogen sein, sofern diese nicht ausschliesslich im Zylinder ange- bracht sind.
Da es jedoch wegen der Zentrierung möglich ist, das anfängliche, bei Inbetriebsetzung der Maschine vorhandene, geringe Kolbenspiel für längere Betriebszeit aufrechtzuerhalten, kann die Dichtungsfähigkeit des Kolbens - wie die Versuche ergaben - insgesamt trotzdem verbessert werden.
Mit Vorteil wird für die Gaszentrierung des Kol bens das Gas im Kompressionsraum bzw. das daraus strömende Leckgas herangezogen. Es kann aber auch - z. B. beim Anfahren, wenn noch kein Druck oder noch nicht genügend hoher Druck im Kompressions raum herrscht und damit eine Leckgaszentrierung nicht wirksam genug wäre - Fremdgas, am besten die gleiche Gasart wie das Fördergas, zugeführt wer den. In beiden Fällen, also bei Leckgasausnutzung oder bei Fremdgaszuführung, kann das Gas über den Aussenumfang des Kolbens oder (und) über den Innenumfang des Zylinders geleitet und zur Kolben zentrierung ausgenutzt werden.
Auf der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des erfindungsgemässen Kompressors dargestellt.
Fig. 1 ist ein schematischer Schnitt durch den Zylinder einer ersten Bauart des Kolbenkompressors. Fig. 2 veranschaulicht eine Einzelheit einer ab gewandelten Ausführungsform in grösserem Massstab. Fig.3 bis 6 zeigen ebenfalls in schematischen Schnitten vier weitere Ausführungsformen des Kom- pressors und Fig. 7 ist ein die Druckverhältnisse erläuterndes Schema.
In einem Zylinder 1 des Kolbenkompressors nach Fig. 1 ist ein mit Labyrinthen 2 ausgestatteter, auf einer Kolbenstange 62 befestigter Kolben 3 hin und her beweglich. Die Maschine ist zweifach wirkend. Das Fördergas wird wechselweise über die Saug ventile 4, 5 in die beiderseitigen Kompressionsräume 6, 7 eingeführt und über die Druckventile 8, 20 wieder nach aussen geleitet. Der Kolben 3 besitzt an seinen beiden den Kompressionsräumen 6, 7 zu gekehrten Enden konische, labyrinthfreie, glatte Oberfläche aufweisende Zentrierteile 9, 11, die durch Druckausgleich-Ringkanäle 10 von dem mittleren Labyrinthteil getrennt sind.
Bei dem ausgezogen dargestellten Beispiel ist die Konizität der Teile 9, 11 derart gestaltet, dass sich der Kolben in Richtung auf die Kompressionsräume 6, 7 hin jeweils ver jüngt. Beim Aufwärtshub des Kolbens 3 wirkt dann der Zentrierteil 9 und beim Abwärtshub der Zen trierteil 11 zentrierend.
Der Kolben 3 -ist nicht koaxial zu der Zylinder achse 12 gezeichnet; vielmehr ist seine Achse 13 um den Betrag e aus der Achse 12 gerückt. Dabei hat der Kolben im Zylinder 1 in der Zeichnung rechts, beim Schlitz 14, ein der Deutlichkeit wegen übertrieben gross wiedergegebenes minimales Spiel S",;", links - beim Schlitz 15 - ein sich dabei einstellendes Maximalspiel S",",. Auf der Höhe des Zentrierteiles 9 sind aussen zwei schematische Druck diagramme eingezeichnet, auf deren Abszisse der Druck p und auf deren Ordinate die Höhe des Zentrierteiles 9 aufgetragen ist.
Der Zentrierteil 9 soll sich dabei in irgendeiner Stellung während des Aufwärtshubes des Kolbens 3 und damit während der Kompression im Raum 6 befinden. Die Ver suche ergaben nun, dass, wenn im Kompressionsraum 6 ein Momentandruck p" herrscht, am unteren Ende des rechten, engeren Schlitzes 14 ein etwas kleinerer Druck p, und am unteren Ende des gegenüberliegen den Schlitzes 15 ein Druck pe herrscht, der kleiner als der Druck p, ist. Die gesamte, der schraffierten Fläche des Diagrammes am Schlitz 14 entsprechende, zur Achse 13 hingerichtete Druckkraft P ist daher grösser als die entsprechende, im Schlitz 15 wirkende Druckkraft P'.
In dem gesamten Ringspalt zwischen Kolben 3 und Zylinder 1 wird durch den Zentrierteil 9 während des Betriebes eine radial nach innen zur Achse 12 hin gerichtete Zentrierkraft erzeugt, deren Betrag bei vollkommener Konzentrizität entspre chender Kolbenstellung ringsherum gleich ist, wäh rend er bei einer Kolbenexzentrizität e auf der Seite einer Verkleinerung des Spaltes, also beim Spalt 14, selbsttätig anwächst, und zwar um so mehr, je klei ner der Spalt wird. Bei Berührung von Kolben und Zylinder tritt die grösste Zentrierkraft auf, und zwar an der Berührungsstelle. Der Kolben 3 wird daher zur Achse 12 hin gedrückt und damit aerodynamisch zentriert. über die Kanäle 10 kann der Druck aus geglichen werden.
Entsprechendes gilt bei Abwärtsbewegung des Kolbens 3, also bei Kompression im Raum 7, hin sichtlich der Drücke in den Schlitzen 16, 17 zwischen dem Zentrierteil 11 und dem Zylinder 1.
Bei einfach wirkenden Kompressoren ist z. B. auf den Zentrierteil 11 verzichtet und der Raum 7 ist unten offen. Zentrierend wirkt dann nur der Teil 9.
Der Teil 9 kann am Umfang auch gemäss der in Fig. 2 gestrichelt eingezeichneten Linie 63 oder ent sprechend der strichpunktiert eingezeichneten Linie 64 ausgebildet sein. Bei dieser Bauart ist übrigens auch gezeigt, dass mehrere Zentrierteile 9 und ebenso mehrere, in Fig. 2 nicht dargestellte, den Zentrier teilen 11 gemäss Fig. 1 entsprechende Zentrierteile Jeweils unmittelbar übereinander angeordnet sein können.
Gegebenenfalls können etwa bei der Ausführungs form nach Fig. 1 Gaszuführungslöcher 65, 66 in den Ringkanälen 10 angebracht sein, über welche Zentriergas aus den Kompressionsräumen 6, 7 oder aus einer Fremdgasquelle zugeführt wird. Gegebe nenfalls kann das Fremdgas über in der Kolben stange 62 befindliche Kanäle zugeleitet werden. Dies ist besonders beim Anfahren von Vorteil, wenn in den Kompressionsräumen 6, 7 noch kein Druck oder noch nicht genügend hoher Druck herrscht, welcher für die aerodynamische Zentrierung nutzbar gemacht werden könnte.
Bei dem Beispiel nach Fig. 3 sind am oberen Kolbenteil 18 und ebenso am unteren Kolbenteil 19 Zentrierkammern 22 angebracht, die über Drossel- kanäle 23 mit den Ringkanälen 10 in Verbindung stehen. Zwischen je zwei Zentrierkammern 22 be finden sich achsparallele Ausströmnuten 21. Wäh rend des Abwärtshubes, nämlich solange im Kom pressionsraum 7 höherer Druck herrscht als im Kom pressionsraum 6, strömt aus Raum 7 stammendes Gas über den oberen Ringkanal 10 und die Dros selkanäle 23 in die Zentrierkammern 22 des Teiles 18.
Aus denjenigen Kammern 22, die infolge einer momentan eintretenden exzentrischen Stellung des Kolbens 3 von der Wandung des Zylinders 1 ver hältnismässig weit entfernt sind, vermag das Gas über den weiten Schlitz 27 in die Nuten 21 und von dort in Raum 6 oder auch unmittelbar aus den Kammern 22 in Raum 6 auszuströmen. Die nach innen gerich tete Zentrierkraft hat dort also eine geringe Grösse. Auf der gegenüberliegenden Seite bildet sich jedoch der enge Schlitz 26 aus, so dass sich in den dort be findlichen Kammern 22 höherer Druck einstellt, durch den der Kolben 3 zur Mitte hin gedrückt wird.
Es wird also wiederum eine über den ganzen Um fang des Kolbens 3 der Exzentrizität entsprechend verteilte Zentrierkraft selbsttätig erzeugt, welche im engsten Teil des Spaltes, nämlich in Schlitz 26, am grössten wird. Beim Aufwärtshub des Kolbens tritt dann eine entsprechende Zentrierwirkung an den Kammern 22 des Teiles 19 auf.
Sind die Kammern 22 und die Nuten 21 in um gekehrter Weise an die Kanäle 10 bzw. die Räume 6, 7 angeschlossen (vergleiche die strichpunktiert ein gezeichneten Teile 22, 23', 21'), so strömt beim Auf wärtshub des Kolbens 3 Gas aus dem Kompressions raum 6 über die Drosselkanäle 23' in die Zentner kammern 22 des Teiles 18 ein und es entsteht in den dem engen Schlitz 26 nahen Kammern 22 höhe rer Druck als in den am weiteren Schlitz 27 gelegenen Kammern 22, so dass ebenfalls wieder die erwähnte Zentrierwirkung eintritt. Das Gas strömt in diesem Fall hauptsächlich aus den den Schlitz 27 benach barten Kammern 22 in die Nuten 21' und von hier über den oberen Ringkanal 10 ab.
Entsprechend strömt beim Abwärtshub des Kolbens Gas aus dem Kompressionsraum 7 über Drosselkanäle 23' in die Kammern 22 des Teiles 19 ein, so dass wieder die erwähnte Zentrierung eintritt.
Ist die Maschine einfach wirkend, ist also der Raum 7 unten offen, so kommen als Zentriermittel lediglich diejenigen Teile 22, 23, 21 bzw. 23', 21' in Betracht, die beim Aufwärtshub wirksam sind, also die ausgezogen dargestellten Teile 22, 23, 21 des unteren Kolbenteiles 19 oder (und) die strich punktiert eingezeichneten Teile 22, 23', 21' des oberen Kolbenteiles 18.
Bei der Bauart nach Fig. 4 ist der Kolben 3 hohl ausgebildet und besitzt in zwei den Kompressions räumen 6, 7 zugekehrten Bereichen Labyrinthteile 31, 32. Zwischen ihnen ist ein mit Kammern 33 versehener Zentrierteil 34 angeordnet. Beiderseits des Teiles 34 sind wiederum Ringkanäle 10 ausgespart. Die Kammern 33 stehen über Drosselkanäle 35 mit dem Kolbeninneren 36 in Verbindung, in das bei Auf- und Abwärtsbewegung des Kolbens 3 Gas aus dem Kompressionsraum 6 über ein Ventil 37 bzw. aus dem Kompressionsraum 7 über ein entsprechen des Ventil 38 einströmt. Das in Raum 36 befind liche Gas tritt über die Drosselkanäle 35 in die Kammern 33 ein.
In denjenigen Kammern 33, die dem engen Schlitz 26 benachbart sind, entsteht ein höherer Druck als in den gegenüberliegenden Kam mern 33 bei dem weiten Schlitz 27, so dass eine in Fig. 4 von rechts nach links, wirkende Zentrie rung eintritt. Aus den Kammern 33 mit höherem Druck strömt das Gas über den engen Schlitz 26 in die Ringkanäle 10 und von hier über den weiten Schlitz 27 in einen oder beide Kompressionsräume weiter.
Bei dem Beispiel nach Fig. 5 besitzt der Kolben 3 drei Labyrinthteile 31, 41, 32 und zwei mit Kam mern 33 versehene Zentrierteile 34, 42. Die Zen trierteile 34, 42 sind jeweils beiderseits durch Ring kanäle 10 von den Labyrinthteilen 31, 41, 32 ge trennt. Sämtliche Kammern 33 sind von stehen gebliebenen Teilen 43 umschlossen, welche eine quadratische Umgrenzung bilden. Je zwei in der Zeichnung übereinander liegende Kammern 33 sind gemeinsam durch einen Kanal 45 mit dem Kom pressionsraum 6 oder dem Kompressionsraum 7 ver bunden, und zwar sind wechselweise z.
B. die einen Kammerpaare 46 mit dem Kompressionsraum 6 und die anderen Kammerpaare 47 mit dem Kompres sionsraum 7 verbunden.
Die Ausführungsform nach Fig. 6 entspricht der jenigen nach Fig. 4, jedoch sind hier die Kammern 33 über in der Kolbenstange angebrachte Kanäle 51, 52 mittels von aussen zugeführten Zentriergases ge speist. Vorteilhaft wird die gleiche Gasart als Zen triermedium verwendet, die auch über die Ventile 4, 5 einströmt.
In Fig. 6 ist übrigens angedeutet, wie im Zylin der 1 Radialkraft-Erzeugungs- und damit Zentrier mittel eingebaut sein können. Zu diesem Zweck kann der Zylinder mit über den ganzen Umfang verteilten Kammern 53 versehen sein, vor die eine als Blende ausgebildete Drosselstelle 61 geschaltet ist und welche über Ventile 54, 55 enthaltende Leitungen 56, 57 mit den Kompressionsräumen 6, 7 in Verbindung stehen oder über eine den Kanälen 51, 52 entsprechende Leitung 58 mit neu zugeführ tem Zentriergas gespeist werden.
Die Druckverhältnisse bei den Ausführungsfor men nach Fig. 3 bis 6 sind in Fig.7 schematisch veranschaulicht. Das über Kanäle 23 (Fig.3), 35 (Fig.4 bis 6), 45 oder 56, 57, 58 (Fig. 6) in die Zentrierkammern 22, 33 bzw. 53 einströmende Gas steht unter dem Druck pa. Den Drosselkanälen 23, 35 bzw. der Blende 61 ist ein konstanten Durch lassquerschnitt aufweisendes Drosselorgan 25 äquiva lent.
In den Zentrierkammern 22, 33, 53 herrscht ein Druck pk. Den Schlitzen 26, 27 ist ein Drossel organ 28 äquivalent, dessen Durchlassquerschnitt für jede Kammer 22, 33, 53 einen anderen Betrag hat, und zwar ist er für die dem engsten Schlitz 26 benachbarten Kammern am kleinsten und wird kon tinuierlich grösser, je weiter entfernt die Kammern hiervon sind; der grösste Durchlassquerschnitt des Organs 28 entspricht dem weitesten Schlitz 27.
Nach Durchströmen der Schlitze 26 bzw. 27 gelangt das Gas in die Nuten 21 bzw. in die Ringkanäle 10, in denen ein Druck p, herrscht. Der Druck p" ist grösser als der Kammerdruck p1, und dieser Druck p1, ist grösser als der Druck pe. Die Differenz zwi schen den Drücken p1; und p, ist am grössten auf der Seite des schmalen Schlitzes 26 und am geringsten auf der gegenüberliegenden Seite des weiten Schlitzes 27, wo sie praktisch verschwindet.
Ähnlich wie bei Fig. 1 und 3 ausgeführt, kön nen auch die Zentriermittel nach Fig.4 bis 6 bei einfach wirkenden Maschinen verwendet werden. In diesem Fall ist auf die Ventile 5, 20 verzichtet und der Zylinder 1 ist unten offen. Ferner fallen das Ventil 38 gemäss Fig.4, die Kammerpaare 47 mit den unteren Kanälen 45 gemäss Fig. 5 und die das Ventil 55 enthaltende Leitung 57 gemäss Fig. 6 fort.
Eine weitere Abwandlung ergibt sich, wenn am Kolbenumfang oder (und) an der Zylinderwandung statt Zentnerkammern Löcher angebracht sind, die über Gaszuführungskanäle wechselweise mit den Kompressionsräumen 6, 7 oder einer Fremdgasquelle in Verbindung stehen.
Es müssen verhältnismässig viele Löcher von relativ kleinem Durchlassquerschnitt sein, damit die Löcher Drosselstellen für das in dem Spalt zwischen Kolben und Zylinder befindliche Gas bilden können, welches im Fall einer Auslenkung des Kolbens aus der Achse 12 an den Stellen von Spalt verkleinerung (bei 26) in den Löchern gestaut wird. An den dem engen Schlitz 26 benachbarten Löchern entsteht dann grösserer Druck als an den gegen überliegenden, dem grösseren Schlitz 27 benach barten Löchern, so dass wieder eine entsprechende Zentrierwirkung eintritt.
Ferner kann ein und derselbe Kolben z. B. einen konischen Zentrierteil und ausserdem Zentrierkam- mern etwa zur Zuführung von Fremdgas beim An fahren besitzen oder der Kolben ist mit einem konischen Zentrierteil und der Zylinder mit Zentrier kammern ausgerüstet. Es sind also die verschie densten Kombinationen der erwähnten Zentrierungs- mittel für das Verfahren zum Betrieb des Labyrinth- kolben-Kompressors möglich.