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Diese Erfindung betrifft eine Packungs- oder
Dichtungsringanordnung für eine hin- und herbewegbare Abdichtung.
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Packungs- oder Dichtungsringe werden zum Beispiel in
Hochdruck-Einrichtungen wie Gaskompressoren eingesetzt, die
insbesondere Paare segmentierter Ringe aufweisen, wobei die
Packungs- oder Dichtungsringanordnung Gasdrücken von bis zu
mehreren Tausend bar ausgesetzt sind. Die Ringe sind zum
Beispiel in zwei oder drei Teile segmentiert, wobei in einem
solchen Paar die Segmente eines Ringes neben Bereichen des anderen
Ringes liegen, um soweit wie möglich Leckagepfade durch die
Packungs- oder Dichtungsringanordnung zu vermeiden.
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Die Dichtungsringanordnung kann in einer Druckkammer
untergebracht sein, welche direkt mit einem Gefäß verbunden
ist, das ein Hochdruckfluid enthält, z.B. ein Hochdruckgas,
oder die Dichtungsringanordnung befindet sich in einer
Druckkammer, welche mit einem Abdichtungsfluid gefüllt ist, dessen
Druck typischerweise etwas höher liegt als der Druck des Gases
im Hochdruckgefäß, um Leckagen des Hochdruckgases durch die
Dichtungsringanordnung zu vermeiden.
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Die Druckkammer erstreckt sich um eine periodisch
hin- und herbewegbare Stange oder einen periodisch hin- und
herbewegbaren Kolben, welche oder welcher sich jeweils in
Richtung auf das Innere bzw. auf das Äußere des besagten Gefäßes
bewegt, wobei zwischen den inneren Rändern der Kammer und der
Stange oder dem Kolben ein geringer Abstand besteht. Um die in
der Druckkammer eingefügte Dichtungsringanordnung so zu
positionieren, daß Dichtungsfunktionen ausreichend erfüllt sind,
wird die Dichtungsringanordnung sowohl gegen die Stange oder
den Kolben als auch gegen einen Bereich der Druckkammerwandung
gedrückt.
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Das Andrücken der Ringe derart, daß ihre inneren
Berührungsflächen in die Stange eingreifen, kann mittels einer
Feder erfolgen, welche am äußeren Umfang des Ringpaares
angebracht ist, obwohl es andere Möglichkeiten gibt.
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Das Andrücken der Ringe mit ihren seitlichen
Berührungsflächen gegen einen Bereich der Wandung kann auch mittels
Federwirkung erfolgen, wobei Schraubenwirkung, hydraulisch
angetriebene Zylinderwirkung oder andere Schubwirkungen auch
möglich sind.
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Obwohl das Dichtungsverhalten durch den Einsatz von
Paaren segmentierter Ringe verschiedener Art, z.B. geeignete
Kombinationen von nahezu gleichgroßen P-, B-, D- oder T-Ringen,
die allgemein bekannt sind und weiter unten beschrieben werden,
verbessert wurde, ist die für den oben erwähnten
Hochdruckbereich geforderte Abdichtung nicht ausreichend, da die
Lebensdauer einer solchen Dichtungsanordnung nicht vorhersehbar ist.
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Ein Ziel der Erfindung ist es daher, die oben
erwähnten Mängel zu überbrücken und eine verbesserte
Dichtringanordnung für eine hin- und herbewegbare Dichtung zu schaffen, wobei
Leckage aus einem Hochdruckgefäß durch die Dichtringe und
entlang der periodisch hin- und herbewegbaren Stange oder dem hin-
und herbewegbaren Kolben, stark reduziert wird.
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Ein anderes Ziel dieser Erfindung besteht darin, eine
verbesserte Dichtringanordnung verfügbar zu machen, ohne die
Dichtungseinheit zu vergrößern, wobei die Segmentringanordnung
beibehalten wird.
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Noch ein anderes Ziel dieser Erfindung ist es, eine
Dichtringanordnung zu schaffen, welche einer geringeren
Abnutzung ausgesetzt ist als existierende Dichtungen, wodurch sich
eine längere Lebensdauer der Dichtung ergibt.
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Die Erfindung stellt somit eine Dichtringanordnung
für eine hin- und herbewegbare Dichtung zur Verfügung, die in
einer Druckkammer angeordnet ist, die sich um eine hin- und
herbewegbare Stange erstreckt, in Hochdruck-Gaskompressoren,
die mindestens zwei nebeneinanderliegende, verschiedentlich
segmentierte Dichtringe von nahezu gleicher Größe mit inneren
Berührungsflächen aufweisen, welche die Stange berühren, und
mit seitlichen Berührungsflächen, die senkrecht zur Stange
stehen, von denen sich zwei Flächen gegenseitig berühren und eine
dritte Fläche gegen einen Wandungsbereich der Druckkammer
angeordnet
ist, und wobei die anderen Flächen einem Fluidhochdruck
ausgesetzt sind, wodurch die Ringe gegen die Stange und gegen
den Wandungsbereich gedrückt werden, dadurch gekennzeichnet,
daß der Berührungsdruck zwischen Berührungs flächen erhöht wird
durch angemessene Verringerung der
Berührungsoberflächenbereiche, durch maschinelles Einarbeiten mindestens einer Aussparung
in die inneren Berührungsflächen und/oder in die seitlichen
Berührungsflächen und durch Gewährleisten, daß die Flächen,
welche Aussparungen aufweisen, nur mit der Niederdruckseite der
Dichtung in Verbindung stehen, wodurch die Berührungsflächen
zusammengezogen werden.
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Es wird darauf hingewiesen, daß die US-A-3 305 241
eine Dichtringanordnung für eine hin- und herbewegbare
Abdichtung offenbart, welche eine Vielzahl von Dichtringen aufweist,
wobei die Dichtringe mit einer Aussparung in einer der
Berührungsflächen versehen sind.
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Die spezifische Idee der Erfindung, die in der
Erhöhung von Kontaktdruck zwischen Berührungsflächen durch
geeignete Verringerung der Berührungsflächenbereiche besteht, wurde
jedoch nicht offenbart.
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Aus der US-A-3 971 563 ist es bekannt,
Oberflächenbereiche zu reduzieren und somit die Abdichtungsbedingungen
dadurch zu ändern, daß Aussparungen sowohl in den sich
berührenden Ringflächen als auch in den in Kontakt befindlichen
Stangenflächen einer Rotationswelle vorgesehen sind. Die sich
gegenüberliegenden Aussparungen und Einfassungen können
gegenseitig verschoben werden, wodurch die Berührungsbereiche in situ
verändert werden, wobei der Berührungsbereich verringt wird, um
so die Reibungswärme zu verringern.
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Bei dem obigen Stand der Technik existiert ein
konstanter Druck mit sich ändernder Flächenberührung. Bei hohem
Fluiddruck wird die Berührungsfläche vergrößert, und umgekehrt.
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Der obige Stand der Technik unterscheidet sich jedoch
von der vorliegenden Erfindung, bei welcher die
Hochdruckabdichtung durch Verringerung der Berührungsfläche bewirkt wird.
Es wird nachdrücklich darauf hingewiesen, daß die Aussparungen
gemäß der Erfindung an den inneren Berührungs flächen und/oder
an den seitlichen Berührungsflächen angeordnet werden können.
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Die Erfindung wird nun beispielhaft detaillierter
beschrieben, durch Bezugnahme auf die bei liegenden Zeichnungen:
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Fig. 1 zeigt den Berührungsdruck , der erforderlich
ist, um einen gegebenen Druck p des Hochdruckfluids oder -gases
abzudichten;
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Fig. 2a-2d zeigen Vorderansichten segmentierter
Ringtypen gemäß dem Stand der Technik;
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Fig. 3a zeigt eine Vorderansicht eines Ringpaares
gemäß der Erfindung, die nacheinander einen B-Ring und T-Ring
aufweist; Fig. 3b und 3c sind Querschnittsansichten des BT-
Ringpaares entlang der Linie I-I aus Fig. 3a und zeigen
vorteilhafte Ausführungs formen der Dichtringanordnung gemäß der
Erfindung;
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Fig. 4 zeigt einen Querschnitt durch eine
Dicntungsanordnung, die zwei Dichtringanordnungen gemäß der Erfindung
aufweist.
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In den Fig. 3b, 3c und 4 werden ähnliche
Bezugszeichen für entsprechende Elemente verwendet.
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In Fig. 1 wird eine Kurve gezeigt, welche das
Dichtungskriterium zwischen dem Druck p (senkrechte Achse), welcher
durch das Hochdruckfluid oder -gas erzeugt wird, gegen den
Berührungsdruck (waagerechte Achse) darstellt, der
hauptsächlich durch das Hochdruckfluid zusammen mit der
Segmentkonstruktion zwischen einer Berührungsfläche und der Stange oder dem
Kolben und dem Wandungsbereich aufgebaut und hervorgerufen wird
und welcher auch zwischen nebeneinanderl iegenden
Berührungsflächen vorhanden ist. Die gestrichelte Linie zeigt die p =
Situation ausschließlich zu Vergleichszwecken. Die volle Linie
gilt für die vorliegenden Bedingungen, wobei eine Abdichtung
nur im Druckbereich ≥ 1,5 p erzielt wird.
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Die Ringsegmentierung ist in den Fig. 2a, 2b, 2c und
2d dargestellt, wobei vier verschiedene Möglichkeiten für die
Segmentierung eines Dichtungsringes gezeigt werden.
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Es wurde festgestellt, daß segmentierte Ringe der in
den Fig. 2a-2d gezeigten Typen, welche in enger Berührung zur
Stange stehen, das Kriterium nur örtlich erfüllen. Die Lücke
zwischen zwei der Segmente des P-Ringtyps in Fig. 2a dient dem
Zweck, Druckveränderungen, die auf den Fluidfluß zurückzuführen
sind, weiterzuleiten. Eine positive Abdichtung kann hingegen
nicht erzielt werden. Als positive Abdichtung wird eine
Abdichtung definiert, welche insgesamt das oben erwähnte Kriterium
erfüllt.
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Beim B- und D-Ringtyp der Fig. 2b und 2c erfüllen die
mittleren Bereiche der inneren Berührungsflächen jedes Segments
sehr gut das Kriterium für den nach innen gerichteten
Hochdruckfluidfluß. Weder kann eine positive Abdichtung für die
überlappenden Bereiche bezüglich des nach innen gerichteten
Flusses erreicht werden, noch für die seitlichen
Berührungsflächen, da die Segmentierungsbereiche den Fluidfluß in axialer
Richtung ermöglichen. Für den T-Ringtyp in Fig. 2d gelten
dieselben Überlegungen wie oben, wobei die entsprechenden
Mittelbereiche eine nahezu positive Abdichtung ergeben.
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Fig. 3a zeigt ein Ringpaar, welches sukzessiv einen
B-Ring und einen T-Ring aufweist. Durch Anwendung eines
B-Ringes wird die Stangenberührungsfläche eines Segmentes reduziert,
wodurch der Berührungsdruck erhöht wird. Der T-Ring wird mit
dem Zweck verwendet, die Bereiche zwischen den B-Ringsegmenten
zu überdecken, um Leckagen dadurch zu< verhindern.
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Die oben erwähnte Dichtungsanordnung erfüllt jedoch
nicht vollständig die oben erwähnten Anforderungen für eine
hin- und herbewegbare Dichtung unter Hochdruckbedingungen,
inbesondere < in einem Anwendungsbereich von 0 bis 3000 bar.
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In Übereinstimmung mit der Erfindung wurde die
Abdichtung dadurch stark verbessert, daß die Ringe eines
BT-Paares eine Aussparung in ihren Berührungsflächen aufweisen. Dies
ist in den Fig. 3b und 3c dargestellt, welche jeweils eine
erste bzw. zweite vorteilhafte Ausführungsform darstellen.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform ist in Fig. 3b
dargestellt, die eine hin- und herbewegbare Stange oder einen hin-
und herbewegbaren Kolben 1 aufweist, deren bzw. dessen axiale
Bewegung, gezeigt durch den Doppelpfeil M, nach innen und nach
außen von einem Hochdruckgefäß (aus Gründen der Klarheit nicht
gezeigt) erfolgt, wobei die Dichtringanordnung aus einem T-Ring
2 in Richtung auf das Hochdruckfluid und einem B-Rin4 3
besteht, dessen seitliche Berührungsfläche 4 gegen einen
Wandungsbereich einer Druckkammer (nicht gezeigt) angeordnet ist,
wie oben erwähnt. In dieser Figur sind die Berührungsflächen 4,
5 und 6 senkrecht zur hin- und herbewegbaren Stange angeordnet.
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Die inneren Berührungsflächen 7 und 8 des B-Rings 3
bzw. des T-Rings 2 befinden sich in enger Berührung zur hin-
und herbewegbaren Stange 1. Das Andrücken des BT-Ringpaares
gegen die Stange und gegen den Wandungsbereich kann mechanisch
erreicht werden, wie oben erwähnt. Die Anpreßmittel werden aus
Gründen der Klarheit nicht gezeigt, während die Druckwirkung
lediglich durch Pfeile F dargestellt ist, welche auf die obere
Hälfte der Ringanordnungen zeigen.
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In dieser Ausführungsform sind Aussparungen 10 und 11
in dem B-Ring 3 bzw. in dem T-Ring 2 vorhanden. Wie gezeigt,
können die Aussparungen 10 und 11 als spaltförmig entlang den
inneren Umfängen angesehen werden, die eingelassen sind in die
inneren Berührungsflächen 7 und 8, insbesondere als
rechtwinklige Spalten.
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Wie einem Fachmann einsichtig ist können
Aussparungen in vielen Weisen ausgeführt werden, z.B. als Aussparungen
teilweise entlang dem inneren Umfang oder als keilförmige
Schlitze. Es kann auch nur eine Ring eine solche Aussparung
aufweisen.
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In allen diesen Fällen werden die
Berührungsflächenbereiche oder ein Berührungsflächenbereich der Flächen 4, 5, 6,
7, 8 reduziert, wodurch der Berührungsdruck erhöht und das
oben erwähnte Kriterium erfüllt wird.
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Wie man in Fig. 3c sehen kann, weist eine zweite
vorteilhafte Ausführungsform einseitig abgeschrägte
Berührungsflächen 4, 5, 6, 7, 8 auf, wodurch Aussparungen 20 und 21
entstehen. Wie oben erwähnt, können die Aussparungen in vielen Weisen
ausgeführt werden.
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Fig. 4 zeigt einen Teil eines Querschnitts durch eine
Dichtungsanordnung 30, welche eine vorteilhafte Ausführungsform
der Erfindung darstellt. Die Aussparungen gemäß der
Ausführungsform in Fig. 3b, wie oben diskutiert, werden auf in
dieser Figur gezeigt. Die Abdichtungsanordnung befindet sich
zwischen einem Hochdruckraum H und einem Niederdruckraum L. Eine
hin- und herbewegbare Stange oder ein hin- und herbewegbarer
Kolben 1 bewegt sich in Axialrichtung, wie durch den
Doppelpfeil M gezeigt, nach innen und nach außen von dem
Hochdruckraum H. Beispielsweise ist der Hochdruckraum H das besagte
Hochdruckgefäß, während der Niederdruckraum L mit der freien
Luft verbunden ist.
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Die Abdichtungsanordnung 30 ist mit einer
Fluiddruckkammer C versehen, welche sich in Axialrichtung entlang der
Stange 1 erstreckt und die mit zwei Bereichen 31 und 32
versehen ist, innerhalb welcher zwei Dichtringanordnungen 41 bzw. 42
angeordnet sind. Wie oben erwähnt, weist jede der
Dichtringanordnungen einen B-Ring und einen T-Ring auf, die mit ihren
inneren Berührungsflächen mit der hin- und herbewegbaren Stange
in Berührung sind. Die seitlichen Berührungsflächen 4 sind
gegen zwei Wandungsbereiche 34 bzw. 35 der Druckkammer C
angeordnet. Es können auch andere Kombinationen von Ringen in einer
Dichtringanordnung angewandt werden, zum Beispiel ein BD-Paar.
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Wie oben erklärt, wird die Abdichtung durch
Fluiddruck bewirkt, der die Anpreßwirkung F erzeugt, wie in den Fig.
3b und 3c gezeigt, die erzeugt wird durch Fluid, das in einer
geeigneten Weise in die Druckkammer C durch einen Kanal 33
eingegeben wird, wie durch einen Pfeil f in Fig. 4 gezeigt ist.
Damit die Dichtungsanordnung als Ganzes eine positive
Abdichtung gewährleistet, muß der Druckabfall über die
Dichtungsanordnung der folgenden Beziehung genrngen: pF > pH > pL.
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Dann werden die Dichtringanordnungen 41 und 42 in
geeigneter Weise gegen die Wandungsbereiche 34 bzw. 35 gedrückt.