CH636682A5

CH636682A5 - Device for the contactless sealing of the plunger in the cylinder of a high-pressure pump or high-pressure compressor

Info

Publication number: CH636682A5
Application number: CH450079A
Authority: CH
Inventors: Konrad Scheuber
Original assignee: Burckhardt Ag Maschf
Priority date: 1979-05-15
Filing date: 1979-05-15
Publication date: 1983-06-15
Also published as: DE2921454C2; DE2921454B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum berührungslosen Dichten des Plungers im Zylinder einer Hochdruckpumpe oder eines Hochdruckkompressors, wobei in einer Ringkammer des Zylinders ein den Plunger mit Spiel umgebendes ringförmiges Dichtelement angeordnet ist, das sich unter dem Druck des in der Ringkammer befindlichen Mediums elastisch verformt und dabei das Spiel zum Plunger verringert.

Eine solche Vorrichtung ist aus den Fig. 6 bis 8 der CH-PS 458 857 bekannt. Bei dieser Vorrichtung besteht das Dichtelement aus drei aneinanderliegenden Ringen, die gleichen Aussendurchmesser und von der Hochdruckseite zur Niederdruckseite zunehmendes Spiel zwischen der Bohrung und dem Plunger aufweisen. Mit diesem abgestuften Spiel soll erreicht werden, dass nach dem elastischen Zusammendrücken der Ringe das

Spiel über die gesamte Länge des Dichtspaltes etwa gleich gross wird. Bei dieser Vorrichtung muss das Einbauspieiso gross bemessen sein, dass unter Berücksichtigung der Grösse der späteren elastischen Deformation keine Berührung der Ringe am Plunger eintritt. Es hat sich aber gezeigt, dass beim Inbetriebsetzen oder Anfahren der Hochdruckpumpe oder des Hochdruckkompressors grosse Leckverluste des Mediums auftreten, weil der anfänglich erzeugte Druck noch zu gering ist, um die Ringe schon soweit zusammenzudrücken, dass das Spiel klein genug wird. Im Anfangsstadium entweicht praktisch die gesamte Fördermenge als Leckverlust durch den grossen Spalt zwischen der Bohrung der Ringe und dem Plunger. Man wählt deshalb das Einbauspiel kleiner und nimmt in Kauf, dass bei Erreichen des Enddruckes die Ringe auf dem Plunger festsitzen. Die Folge ist dann beträchtliche Reibung zwischen dem Plunger und den Ringen sowie entsprechend grosse Abnützung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Dichtung der eingangs genannten Art so zu verbessern, dass schon beim Inbetriebsetzen der Hochdruckpumpe oder des Hochdruckkompressors eine gute Dichtwirkung auftritt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass das ringförmige Dichtelement aus mehreren, mit ihren Stirnflächen dichtend aneinanderliegenden Ringen mit von der Hochdruckseite zur Niederdruckseite zunehmendem Aussendurchmesser oder aus einer Büchse mit von der Hochdruckseite zur Niederdruckseite zunehmendem Aussendurchmesser besteht und dass in der Ringkammer am hochdruckseitigen Ende ein den Plunger umgebender, mit seiner niederdruckseitigen Stirnfläche an der hochdruckseitigen Stirnfläche des Dichtelementes anliegender Vorsatzring angeordnet ist, dessen Aussendurchmesser grösser ist als der des Dichtelementes an seinem verjüngten Ende und dessen Spiel zwischen seiner Bohrung und dem Plunger kleiner ist als das Einbauspiel zwischen der Bohrung des Dichtelementes und dem Plunger. Durch das Anordnen des Vorsatzringes , dessen Einbauspiel zweckmässig minimal gewählt wird, wird schon beim ersten Druckhub des Plungers eine Dichtwirkung durch die erfindungsgemässe Vorrichtung erzeugt, so dass trotz des im Vergleich zum Spiel des Vorsatzringes grösseren Einbauspiels des Dichtelementes praktisch kein Medium entweichen kann. Im weiteren Ablauf des Inbetriebsetzens baut sich dann rasch in der Ringkammer der Druck auf, der zunächst das verjüngte Ende der Büchse bzw. den Ring mit dem kleinsten Aussendurchmesser elastisch verformt, so dass dieser verjüngte Bereich der Büchse bzw. weitere Ringe des Dichtelementes elastisch verformt, so dass auch diese Bereiche des Dichtelementes sich an der Dichtwirkung beteiligen. Auf diese Weise Wirdes also mit der erfindungsgemässen Vorrichtung möglich, den Dichtvorgang von Anfang an und kontinuierlich einzuleiten. Dabei kann das Einbauspiel des Dichtelementes allein unter Berücksichtigung der im Betrieb auftretenden elastischen Deformation bemessen werden.

In gleicher Weise wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe mit einer Vorrichtung gelöst, bei der in einer Ringkammer des Plungers ein ringförmiges Dichtelement angeordnet ist, das gegenüber der umgebenden Zylinderwand Spiel hat und das sich unter dem Druck des in der Ringkammer befindlichen komprimierten Gases elastisch verformt und dabei das Spiel zur Zylinderwand verringert und dadurch gekennzeichnet ist, dass das ringförmige Dichtelement aus mehreren, mit ihren Stirnflächen dichtend aneinanderliegenden Ringen mit von der Hochdruckseite zur Niederdruckseite zunehmendem Innendurchmesser oder aus einer Büchse mit von der Hochdruckseite zur Niederdruckseite zunehmendem Innendurchmesser besteht und dass in der Ringkammer am hochdruckseitigen Ende ein mit der Zylinderwand zusammenwirkender, mit seiner niederdruckseitigen Stirnfläche an der hochdruckseitigen Stirnfläche des Dichtelementes anliegender Vorsatzring angeordnet ist, dessen Innendurchmesser grösser ist als der des Dichtelementes an seinem

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Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden in der folgenden Beschreibung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch vereinfacht:

Fig. 1 einen axialen Schnitt durch einen Hochdruckkompressor mit Dichtvorrichtung gemäss der Erfindung im Anfahrzustand;

Fig. 2 einen Teil der selben Dichtvorrichtung in einem Betriebszustand, in dem der Eindruck erreicht ist;

Fig. 3 einen Teil einer abgewandelten Dichtvorrichtung und

Fig. 4 einen axialen Schnitt durch einen Teil eines Hochdruckkompressors mit im Plunger angeordneter Dichtvorrichtung gemäss der Erfindung.

Gemäss Fig. 1 ist der auf- und abbewegliche Plunger eines Hochdruckkompressors mit 1 und der umgebende Zylinder mit 2 bezeichnet. Der Hochdruckkompressor dient beispielsweise zum Verdichten von Äthylengas, wobei Enddrücke von 2000 bis 3000 bar erreicht werden. Am oberen Ende des Zylinders 2 befindet sich der Kompressionsraum 3, in dem während der Aufwärtsbewegung des Plungers 1 die Verdichtung des über einen Kanal 4 zugeführten Gases stattfindet. Das komprimierte Gas entweicht über einen Kanal 4'. Im Zylinder 2 ist eine Ringkammer 5 vorgesehen, in der ein den Plunger 1 umgebendes, elastisch verformbares Dichtelement 6 in Form einer sich zur Hochdruckseite des Kompressors hin verjüngenden Büchse angeordnet ist. Die Dichtbüchse 6 ruht mit ihrer in Fig. 1 unteren glatten Stirnfläche dichtend an der niederdruckseitigen Begrenzungsfläche 7 der Ringkammer 5. Am hochdruckseitigen, verjüngten Ende der Dichtbüchse 6 ist ein Vorsatzring 8 in der Ringkammer 5 angeordnet, der mit seiner in Fig. 1 unteren glatten Stirnfläche 9 an der hochdruckseitigen, glatten Stirnfläche der Dichtbüchse 6 dichtend anliegt. Zwischen der in Fig. 1 oberen, hochdruckseitigen Stirnfläche 10 des Vorsatzringes 8 und der oberen Begrenzungsfläche der Ringkammer 5 ist ein Spalt freigelassen, so dass der Gasdruck im Kompressionsraum 3 sich auch stets in der Ringkammer 5 einstellen kann.

Das radiale Einbauspiel h6 der Dichtbüchse 6 ist so bemessen, dass unter der Wirkung des Betriebsdruckes von beispielsweise 500 bis 2000 bar, unter dem sich die Dichtbüchse 6 in Richtung zum Plunger 1 elastisch verformt, die Dichtbüchse sehr kleines Spiel aufweist, so dass sie den Plunger 1 fast tuschiert, ohne zu klemmen. In Fig. 1, die die Dichtvorrichtung in der Startphase zeigt, ist der Druck pi noch sehr klein und dementsprechend das Spiel h6 noch gleich dem Einbauspiel. Das radiale Einbauspiel h8 des Vorsatzringes 8 ist dagegen sehr klein bemessen, so dass schon bei dem kleineren Druck pi ein Druckabfall an dem Vorsatzring 8 auftritt.

Dank dem Vorsatzring 8 mit dem sehr geringen Einbauspiel, das also wesentlich kleiner ist als das Einbauspiel h6 der Dichtbüchse 6, baut sich rasch ein zunehmender Druck in der Ringkammer 5 auf. Wenn dieser Druck z. B. 500 bar erreicht, verformt sich zunächst der verjüngte Abschnitt der Dichtbüchse 6 unter Verkleinerung des Spiels in diesem Bereich, so dass dieser Bereich wegen des geringeren Dichtspaltes beginnt, die Dichtwirkung zu übernehmen. Mit weiter zunehmendem Druck im Kompressionsraum 3 und damit auch in der Ringkammer 5 werden weitere Bereiche der Dichtbüchse 6 elastisch verformt, so dass - über die Spaltlänge der Dichtbüchse gesehen - im dickeren Bereich der Dichtbüchse sich das Spiel verringert und damit die Dichtwirkung kontinuierlich zunimmt. Bei Erreichen des Enddruckes p2 des Kompressors wird auch der verdickte Teil der Dichtbüchse 6 elastisch verformt, so dass auch in diesem Bereich das Spiel kleiner wird und dieser Bereich Dichtfunktion übernimmt. Dieser Zustand ist in Fig. 2 dargestellt. Der Vorsatzring 8 hat dabei keine Dichtfunktion mehr, sondern er läuft leer und erfährt somit

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keine Abnützung. Wie Fig. 2 weiter zeigt, ergibt sich bei entsprechend gewählter Aussenform der Dichtbüchse ein etwa linearer Druckabfall über der Dichtbüchse 6.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 3 sind in der Ringkammer 5 anstelle der konischen Dichtbüchse fünf Dichtringe 11 bis 15 vorgesehen, die in ihrem Aussendurchmesser von der Hochdruckseite zur Niederdruckseite hin stufenförmig zunehmen. Die Dichtringe 11 bis 15 haben glatte Stirnflächen und liegen dichtend aneinander. Der grösste Dichtring 15 ruht mit seiner niederdruckseitigen Stirnfläche dichtend auf der ihr benachbarten Begrenzungsfläche 7 der Ringkammer 5. Ausserdem ist wiederum der Vorsatzring 8 vorhanden, der mit seiner in Fig. 3 unteren glatten Stirnfläche 9 an der hochdruckseitigen Stirnfläche des Dichtringes 11 dichtend anliegt. Das Einbauspiel der Ringe 11 bis 15 ist wiederum entsprechend der elastischen Verformung dimensioniert und für alle fünf Ringe gleich gross gewählt, wogegen das Einbauspiel des Vorsatzringes 8 sehr klein ist.

Beim Inbetriebnehmen des Hochdruckkompressors beginnt die Dichtwirkung wiederum sofort wegen des Vorsatzringes 8 mit seinem geringen Spiel h8. Mit zunehmendem Druck verkleinert sich zuerst der Ring 11, der bei Erreichen des engen Dichtspaltes zwischen ihm und dem Plunger 1 die Dichtwirkung übernimmt und den Vorsatzring 8 entlastet. Mit weiter zunehmendem Druck in der Ringkammer 5 verformt sich dann der Ring 12 unter Verengung des Dichtspaltes, so dass auch dieser Ring sich an der Dichtwirkung beteiligt, wobei der Ring 11 teilweise entlastet wird. Mit noch mehr steigendem Druck wird auch der Ring 13 gegen den Plunger 1 elastisch verformt und beteiligt sich mit seinem Dichtspalt an der Dichtwirkung, wobei eine teilweise Entlastung des Dichtringes 12 auftritt. In gleicher Weise kommt bei noch höherem Druck in der Ringkammer 5 der Ring 14 zur Dichtwirkung unter teilweiser Entlastung des Ringes 13. Bei Erreichen des Enddruckes p2 dichtet schliesslich auch der Dichtring 15 berührungslos mit seinem dann verengten Dichtspalt zwischen seiner Bohrung und dem Plunger 1.

Anstelle des einteiligen, massiven Vorsatzringes 8 ist es auch möglich, eine Ringkombination, bestehend aus einem radial geteilten Ring, einem tangential geteilten Ring und einem diese beiden Ringe stützenden Massivring, zu verwenden. Wesentlich bei der Verwendung einer solchen Ringkombination ist, dass sie minimales, gleichbleibendes Spiel relativ zum Plunger hat, das im Stande ist, mit dem Inbetriebnehmen des Hochdruckkompressors sofort die Dichtwirkung einzuleiten, bevor das Dichtelement in Form einer konischen Büchse oder mehrerer, im Aussendurchmesser abgestufter Ringe die Dichtfunktion übernehmen kann.

Es ist auch möglich, für den Vorsatzring 8 einen an sich bekannten Drosselring vorzusehen, der üblicherweise auf einer Stirnfläche mit radialen, über den Ringumfang verteilten Nuten versehen ist, die dem Durchtritt des Gases dienen. Diese Stirnfläche müsste zur Hochdruckseite des Kompressors hin liegen, während die andere, glatte Stirnfläche des Drosselringes an der Stirnfläche des verjüngten Endes des Dichtelementes anliegt. Auch hier ist das Spiel zwischen der Bohrung des Drosselringes und dem Plunger sehr klein und ändert sich während des Betriebes des Hochdruckkompressors praktisch nicht.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 ist die Ringkammer 5' statt im Zylinder 2 im Plunger 1 vorgesehen. Dementsprechend ist die Dichtbüchse 6' auf ihrer Innenseite mit dem von der Hochdruckseite zur Niederdruckseite zunehmender Wanddicke versehen, während ihre Aussenseite gleichen Durchmesser aufweist. Die zylindrische Aussenfläche der Dichtbüchse 6' bildet also zusammen mit der umgebenden Zylinderwand den Dichtspalt, der sich unter dem Einfluss des steigenden Druckes des in der Ringkammer 5 ' befindlichen Mediums verringert. Die elastische Verformung der Dichtbüchse 6' besteht hier also in einem Aufweiten der Büchse. Am hochdruckseitigen, verjüngten Ende

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der Dichtbüchse 6' ist der Vorsatzring 8 angeordnet, dessen Spiel Die beschriebenen Dichtvorrichtungen sind nicht nur für zur Zylinderwand wesentlich geringer ist als das Einbauspiel der Hochdruckkompressoren, in denen Gase verdichtet werden, Büchse. Die Funktion dieser Dichtvorrichtung ist gleich derjeni- sondern auch für Hochdruckpumpen geeignet, in denen Flüssiggen, wie sie zu Fig. 1 und 2 beschrieben worden ist. keiten gefördert werden.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Vorrichtung zum berührungslosen Dichten des Plungers im Zylinder einer Hochdruckpumpe oder eines Hochdruckkompressors, wobei in einer Ringkammer des Zylinders ein den Plunger mit Spiel umgebendes ringförmiges Dichtelement angeordnet ist, das sich unter dem Druck des in der Ringkammer befindlichen komprimierten Gases elastisch verformt und dabei das Spiel zum Plunger verringert, dadurch gekennzeichnet, dass das ringförmige Dichtelement (6) aus mehreren, mit ihren Stirnflächen dichtend aneinanderliegenden Ringen mit von der Hochdruckseite zur Niederdruckseite zunehmendem Aussendurch-messer oder aus einer Büchse mit von der Hochdruckseite zur Niederdruckseite zunehmendem Aussendurchmesser besteht und dass in der Ringkammer (5) am hochdruckseitigen Ende ein den Plunger (1) umgebender, mit seiner niederdruckseitigen Stirnfläche (9) an der hochdruckseitigen Stirnfläche des Dichtelementes (6) anliegender Vorsatzring (8) angeordnet ist, dessen Aussendurchmesser grösser ist als der des Dichtelementes (6) an seinem verjüngten Ende und dessen Spiel zwischen seiner Bohrung und dem Plunger (1) kleiner ist als das Einbauspiel zwischen der Bohrung des Dichtelementes (6) und dem Plunger (1).

2. Vorrichtung zum berührungslosen Dichten des Plungers im Zylinder einer Hochdruckpumpe oder eines Hochdruckkompressors, wobei in einer Ringkammer des Plungers ein ringförmiges Dichtelement angeordnet ist, das gegenüber der umgebenden Zylinderwand Spiel hat und das sich unter dem Druck des in der Ringkammer befindlichen komprimierten Gases elastisch verformt und dabei das Spiel zur Zylinderwand verringert, dadurch gekennzeichnet, dass das ringförmige Dichtelement (6') aus mehreren, mit ihren Stirnflächen dichtend aneinanderliegenden Ringen mit von der Hochdruckseite zur Niederdruckseite zunehmendem Innendurchmesser oder aus einer Büchse mit von der Hochdruckseite zur Niederdruckseite zunehmendem Innendurchmesser besteht und dass in der Ringkammer (5') am hochdruckseitigen Ende ein mit der Zylinderwand (2) zusammenwirkender, mit seiner niederdruckseitigen Stirnfläche an der hochdruckseitigen Stirnfläche des Dichtelementes (6') anliegender Vorsatzring (8) angeordnet ist, dessen Innendurchmesser grösser ist als der des Dichtelementes (6') an seinem verjüngten Ende und dessen Spiel zwischen seiner äusseren Umfangsfläche und der Zylinderwand (2) kleiner ist als das Einbauspiel zwischen der äusseren Umfangsfläche des Dichtelementes (6') und der Zylinderwand (2).

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsatzring (8) aus mindestens einem geteilten Ring und einem diesen stützenden Ring gebildet ist, wobei der stützende Ring an der Stirnfläche des verjüngten Endes des Dichtelementes (6) dichtend anliegt und wie der geteilte Ring kleineres Spiel zum Plunger (1) aufweist als das Einbauspiel des Dichtelementes (6).