DE1600658A1 - Kolbenringanordnung - Google Patents

Description

DIPL-CHEM. DR. WERNER KOCH · DR.-ING. RICHARD GLAWE

DIPL-ING. KLAUS DELFS

HAMBURG ·MÖNCHEN

2000 Hamburg-GroBflottbek · WaltzstraBe 12 · Ruf 892255 8000 München 22 ■ LlebherntraB· 20 · Ruf 224548

I- J

IHR ZEICHEN UNSER ZEICHEN HAMBURG, DEN

HAMBURG ρ 4447/67
D/Bl₀

BETRIFFT:

ViORTHINGTON CORPORATION, 401 Worthington Avenue, Harrison/New Jersey/USA

Kolbenringanordnung

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf die Kolbenringe in den Zylindern von Kolbenkompressoren,und zwar im besonderen auf einen Kolbenringträger für die Kolbenringe eines Kolbens im Zylinder eines ungeschmierten Kolbenkompressors, wobei der Kolbenringträger so ausgeführt ist, daß die an einem Kolbenring vorbeifließende Leckmenge so beeinflußt wird, daß die von dem Medium auf den Kolbenring ausgeübten Kräfte gleichmäßig über diesen verteilt sind«

In nicht geschniierten Kolbenkompressoren' wird den im Kompressor· zylinder befindlichen Teilen k©in Öl zugeführt«) Die gegenüber dem Zylinder gleitenden Teile bestehen aus Materialien wie

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Polytetrafluoräthylen oder Kohlenstoffe In Hochdruckkompressoren sind die auf die Kolbenringe wirkenden Kräfte sehr hoch, wobei die druckbedingte Kräfteverteilung über eine gegebene Zahl von Ringen ungleichmäßig ist. Wegen der Natur der Werkstoffe und ebenso wegen der ungleichmäßigen Verteilung der Druckkräfte ist der Kolbenringverschleiß zu groß, als daß der Betrieb eines ungeschmierten Hochdruckkompressors wirtschaftlich verstellbar wäre.

Versuche an Kolbenkompressoren haben gezeigt, daß bei herkömmlichen Konstruktionen die höchsten Kräfte auf den zunächst der Druckkammer liegenden Ring wirken. In anderen Worten besorgt der erste Ring praktisch die gesamte Dichtungsfunktion, während die folgenden Ringe wenig oder nicht beteiligt sind. Daher verschleißt der erste Ring sehr schnell, wonach die Last auf den nächsten Ring übergeht. Dieser Vorgang wiederholt sich, bis alle Ringe verbraucht sind. Wenn die Belastung über eine genügende Zahl von Ringen verteilt wäre, könnten die Kräfte so klein gehalten werden, daß sich ein erträglicher Verschleiß ergäbe.

Es ist bekannt, auf den Gleitoberflächen der Ringe Nuten vorzusehen, um den Druck zu vermindern und die Leckströmung zu fördern. Diese Konstruktion hat sich doch allgemein als un zuverlässig erwiesen, da bei den für die Kolbenringe benutzten Werkstoffen mit einer beständigen Gestalt der Kolbenringe und der Nuten nicht gerechnet werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kolbenringanordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der im Hinblick

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auf die Wichtigkeit der Aufrechterhaltung genauen Spiels für die Leckströnmng.die Nachteile der bekannten Konstruktion vermieden werden«

Die erfindungsgemäße Lösung besteht insbesondere darin, daß für die Gewährleistung gleichbleibender Gestalt Metallträger benutzt werden. Eine gleichmäßige Druckverteilung über eine Gruppe von Kolbenringen wird dadurch erreicht, daß die Leckströmung des Druckmediums durch den Metallträger kontrolliert wird» Dieser Träger kann mit einem bekannten Kolbenring verwendet werden.

Entsprechend ist als Ziel der Erfindung die Schaffung von Ein-•richtungen zur derartigen Kontrolle der auf eine Gruppe von Kolbenringen wirkenden Kräifte zu betrachten, daß die Ringe gleichmäßigem Verschleiß unterliegen_o

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung von Einrichtungen zur Kontrolle des Mediumleckstroms an einem Kolbenring in einem ungeschmierten Kompressorzylinderο

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines ausgeglichenen Systems zur Belastung eines Kolbens in doppelt wirkenden Kolbenkompressoren.

Diese und andere Ziele der Erfindung ergeben sich klarer aus der folgenden Beschreibung der Zeichnung. Darin sind:

Fig. 1 eine vereinfachte Schnitteinsicht des Kolbens, des Zylinders und der Ventile eines doppelt wirkenden Kolbenkompressors j

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Fig. 2 ein Teilschnitt durch den Kolben gemäß Fig. Ij

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Fig. 3 eine Explosionsansicht der Kolbenringanordnung nach einer Ausführungsform der Erfindung mit einem Kolbenring, einem Kolbenringträger und einem Abstandsring;

Fig. 4 eine Draufsicht auf den Kolbenringträger gemäß Fig. 3$ Fig. 5 ein Längsschnitt gemäß Linie 3-5 der Fig. k\

Fig. 6 eine vergrößerte Einzelheit des Längsschnitts der Kolbenringanordnung gemäß Fig. 2, in der der Zustand kontrollierter Leckströmung dargestellt ist}

Fig. 7 die Darstellung der Anordnung nach Fig. 6 in der dichtenden Stellung und

Fig, 8 eine Darstellung der umgekehrten Anordnung entsprechend Figo 7.

Fig, I veranschaulicht allgemein einen doppelt wirkenden Kolbenkompressor mit einem Zylinderraum 1 am vorderen Ende 2 eines Kolbens 3 und einem Zylinderraum 4 am hinteren, mit der Kolbenstange verbundenen Ende 5 des Kolbens 3· Typische bekannte Kompressorventile 6 sind vorgesehen, während die Antriebseinrichtungen für den Kompressorkolben 3 und die übrigen Teile des Kompressors nicht gezeigt sind, die von irgendeiner bekannten Art sein können.

Die Teildarstellung des Kompressorkolbens 3 in Fig. 2 zeigt zwei Gruppen 7a und 7b von Kolbenringanordnungen. Jede Kolbenringanordnung ist im einzelnen aus der Explosionsdarstellung der Fig. 3 zu ersehen. Ein konventioneller Kolbenring 8 ■ .»09817/10*5

wird in einem mit einer Nut versehenen Träger 9 gehalten, der wiederum auf einem Abstandsring 10 montiert ist. Die Abstandsringe 10 sind auf die Stange 11 des Kolbens 3 aufgepreßt und in irgendeiner bekannten Weise, wie in Figo 2 gezeigt, in ihrer Stellung festgehalten₀ Der Kolbenringträger 9 ist gleitfähig auf dem Abstandsring 10 gehalten und hat, wie sich klarer aus Fig_c 6 ergibt, eine schmalere Breite W als die Weite W des Lagerteils 14 des Abstandrings 10, wodurch ein Spielraum C sich zwischen dem Abstandsteil 12 des Abstandringes und dem Kolbenringträger 9 ergibt«

Der Kolbenringträger 9 besteht vorzugsweise aus Metall wegen seiner Formbeständigkeit. Wie in Fig. 4 gezeigt, weist die Stirn 15 des Trägers 9 eine Zahl radialer Schlitze l6 auf. Diese ■ Schlitze stehen mit axialen Schlitzen I7 in der inneren Bohrung 18 des Trägers in Verbindung ο Die Nut 19 in dem Träger hat irgendeine bekannte Form, die sich zur Aufnahme eines konventionellen Kolbenrings eignet.

Der Kolbenring 8 kann von bekannter Art sein, obwohl er bei Benutzung in einem ungeschmierten Kompressor aus Polytetrafluorüthylen, Kohle oder anderem geeigneten Material bestehen sollte.

ARBEITSWEISE»

Die Arbeitsweise dieser Vorrichtung kann im einzelnen anhand der FLg. 6, 7 und 8 erläutert werden. In Fig» 6 ist der Zustand dargestellt, daß die Kräfte von unter hohem Druck stehendem Gas

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den Ringträger zur linken Seite des Kolbens pressen. Das Gas strömt, wie durch die Pfeile angegeben ist, durch, und um den Ringträger 9· Durch Regelung" des Abstandes C kann der Druck P geregelt wrerdeno Die Druckdifferenz (P_n ^-P₁) bestimmt die auf den Ring 8 wirkende Kraft.

Venn das Hochdruckgas von der linken Seite aus wirkt, wie in Fig. 7 vorausgesetzt ist, drückt es den Träger 9 geyen den Abstandsteil 12 des Abstandsringes 10, Da auf dieser Seite kein Spiel vorgesehen ist, reagiert der Kolbenring in konventioneller Weise. Die Druckdifferenz P-P. ist lediglich eine Funktion

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der Leckverluste über den Kolbenring zwischen dem Kolbenring und der Zylinderwand 20,

Das derart an einer einzelnen Kolbenringanordnung erläuterte Prinzip kann bei einem doppelt wirkenden Kompressorzylinder angewendet werden, d.h, bei einem Kompressorzylinder, in dem die Kompression sowohl am vorderen als auch am hinteren Ende der Kolbenzylindervorrichtung stattfindet. Eine Zahl von Ringen ist an jedem Ende der Kolbenstange 11 zusammengruppiert. Wenn sich der Kolben (wie durch Pfeil in Fig. 2 gezeigt) zu dem Zylinderraum 1 an der Kopfseite 2 bewegt, wächst der Druck in dem Zylinderraum 1, Bei den Kolbenringanordnungen 7a der Gruppe am Kopfende 2 tritt Leckströmung des Mediums durch jede Rinyanordnung, wie es in Verbindung rait Fig, 6 beschrieben wurde« Bei der letzten Ringanordnung 21 dieser Gruppe ist der Druck weit unter den Druck im Zylinderraum 1 gefallen. Der Druck in dem Mittelbereich 22 befindet sich auf irgendeinem Mittelwert

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zwischen dem höchsten Druck im Zylinderraum 1 am Kopfende des Kolbens und einem Minimum auf der Stangenseite 5 des Kolbens« Der Druck in diesem Raum 22 zwischen den Ringgruppen 7a und ?b ist gleichmäßig umfangen von der Zylinderwand 2O₀

Die zweite Gruppe 7b von Kolbenringen ist einem weit geringeren Druck ausgesetzt. Sie reagiert, wie es im Zusammenhang mit Fig» beschrieben wurde. Sie ist jedoch in der entgegengesetzten Richtung orientiert, wie aus Fig_o 8 hervorgeht.

Wenn der Kolben 3 sich in Richtung zum Stangenende 5 hin bewegt, baut sich der Druck in dem Zylinderraum 4 und auf der linken Seite der auf dieser Seite befindlichen Gruppe von Kolbenringen auf, wodurch ihre Träger nach rechts verschoben werden und den Spielraum in Verbindung bringen mit den axialen Schlitzen in den Trägern, so daß eine begrenzte Gasleckströmung an den Kolbenringen vorbeigehen kann. Die Kolbenringträger auf der rechten Seite sind nach rechts in die abdichtende Stellung verschoben, wie es in Fig« 7 gezeigt istc Die Ringgruppen haben somit ihre Stellung umgekehrt, arbeiten aber in entsprechender Weise_e

Durch die Einstellung des Spielraums C wird über die gesamte Gruppe von Ringen eine gleichmäßige Druckverteilung und damit ein gleichmäßiger Abrieb der Ringe erreicht«

Es ist selbstverständlich, daß der Fachmann unter Benutzung des der Erfindung zugrundeliegenden Prinzips Abwandlungen treffen kann von den Einzelheiten, Werkstoffen und Anordnungen der Teile, die oben beschrieben und zur Erläuterung der Erfindung dargestellt wurden.

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Claims (6)

PATENTANSPRÜCHE

1. Kolbetiri nganordriung für eine Kolbenzyl indervorri chtung, gekennzeichnet durch die Kombination der Merkmale, daß der Kolben eine Ringnut an seinem Umfang besitzt! daß ein ringförmiyes Teil in der Ringnut derart angeordnet ist, daß es bei der Kolbenbewegung sicli in Längsrichtung des Kolbens innerhalb der Nut bewegt; daß das ringförmige Teil an seinem Außenumfang eine Nut aufweist! daß ein Kolbenring in dieser Nut in dichtendem Kontakt mit der Zylinderlaufflache untergebracht istj daß das ringförmige Teil wenigstens einen radialen Kanal in einer seiner radialen Flächen und mindestens einen axialen Kanoil in seiner inneren, axialen Bohrung aufweist für den Durchgang von Gas von einer Seite des Kolbenrings zur anderen wahrend der Kompressions-bewegung des Kolbens} und daß das ringförmige Teil eine zweite Radialfläche aufweist, die im Kontakt mit der entsprechenden Wandung der Ringnut dichtend wirkt und den Durchgang von Gas von der einen Seite des Kolbenringes umänderen während der Expansionsbewegung des Kolbens verhindert,

2, Kolbenringanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Spiel in Längsrichtung zwischen dem ringförmigen Teil und der Kingnut eine bestimmte Größe besitzt zur Beeinflussung bzw. Kontrolle des Druck« des durch die Anordnung tretenden Gaseso

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3. Kolbenringanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenring für gleitenden, ungeschmierten Kontakt mit dom Zylinder aus Polytetrafluoräthylen besteht_e

4. Kolbenringanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl solcher Kolbenringanordnungen an einem Kolben hintereinander angeordnet ist, wobei jedes ringförmige Teil mit je einem Kolbenring sich in einer besonderen Nut befindet.»

5. Kolbenringanordnuno nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Län<jssi>Lei zwischen jedem ringförmigen Teil und der zugehörigen Ringnut hinsichtlich seiner Größe derart ausgelegt ist, daß der Druck des von Kolbenringanordnung zu Kolbenrinyanordnuny durchtretenden Gases in der V/eise beeinflußt ist, daß sich eine im wesentlichen gleichförmige Druckverteilung über die gesamte Gruppe von Kolbenringen einstellt.

6. Kolbenringanordnung nach Anspruch 4 oder 5i dadurch gekennzeichnet, daß je eine Gruppe von Kolbenringanordnungen an beiden Enden eines doppelt wirkenden Kolbens derart angeordnet ist, daß sich an den Kolbenringen jedes der beiden Enden bei der jeweiligen Kompressionsbewegung im wesentlichen gleichförmige Druckverteilung einstellt»

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