RU2737059C1

RU2737059C1 - Поршневое кольцо для поршневого компрессора и поршневой компрессор

Info

Publication number: RU2737059C1
Application number: RU2019120165A
Authority: RU
Inventors: Норберт ФАЙСТЕЛЬ
Original assignee: Бёркхардт Компрешн Аг
Priority date: 2016-12-13
Filing date: 2017-11-21
Publication date: 2020-11-24
Also published as: DK3555502T3; EP3555502A1; SA519401877B1; US20200096106A1; CN110168259B; US11193587B2; ES2836300T3; KR102499145B1; EP3555502B1; BR112019011145A2; CN110168259A; CA3043867A1; MX2019006301A; JP2020501088A; KR20190102197A; WO2018108464A1; JP6913751B2; BR112019011145B1; PL3555502T3

Abstract

Изобретение относится к поршневому кольцу, которое содержит замкнутое базовое кольцо (5) и уплотняющее кольцо (3). Базовое кольцо (5) имеет переднюю поверхность (5а), ориентированную в радиальном наружном направлении, а уплотняющее кольцо (3) имеет переднюю поверхность (3е), ориентированную в радиальном наружном направлении, и круговую внутреннюю поверхность (3f), ориентированную в радиальном внутреннем направлении. Уплотняющее кольцо (3) имеет три тангенциальных разреза (3d), которые проходят тангенциально относительно внутренней поверхности (3f) уплотняющего кольца, так что уплотняющее кольцо (3) имеет три сегмента (3а, 3b, 3с), расположенных последовательно в окружном направлении (U) и отделенных тангенциальным разрезом (3d). Замкнутое базовое кольцо (5) и уплотняющее кольцо (3) расположены последовательно в продольном направлении (L) перпендикулярно окружному направлению (U). Поршневое кольцо также содержит верхнее кольцо (2), расположенное с примыканием к уплотняющему кольцу (3) в продольном направлении (L), при этом верхнее кольцо (2) имеет наружную поверхность (2с), ориентированную в радиальном наружном направлении, и внутреннюю поверхность (2d), ориентированную в радиальном внутреннем направлении, причем на стороне, обращенной от уплотняющего кольца (3), верхнее кольцо (2) имеет по меньшей мере один радиальный канал (2а) для обратного потока, проходящий радиально по всей ширине верхнего кольца (2), при этом уплотняющая передняя поверхность (3е) выступает в радиальном направлении за пределы наружной поверхности (2с) верхнего кольца и передней поверхности (5а) базового кольца, при этом базовое кольцо (5) и верхнее кольцо (2) имеют более высокий предел прочности на разрыв, чем уплотняющее кольцо (3). 3 н. и 10 з.п. ф-лы, 1 табл., 8 ил.

Description

Изобретение относится к поршневому кольцу для поршневого компрессора, выполненному согласно ограничительной части п. 1 формулы изобретения. Изобретение также относится к поршневому компрессору.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известны поршневые компрессоры, содержащие цилиндр и поршень, который может перемещаться линейным образом в указанном цилиндре. В одном возможном варианте выполнения на поршне расположено поршневое кольцо, которое скользит вдоль стенки цилиндра, обеспечивая уплотнение камеры сжатия, образованной цилиндром и движущимся поршнем. В международной публикации WO98/55783 A1 описан поршневой компрессор с сухим ходом, имеющий поршневое кольцо, расположенное на поршне и контактирующее со стенкой цилиндра. Данный поршневой компрессор сухого хода хорошо подходит для сжатия водорода до конечного давления, достигающего, например, 200 Бар. Однако требования к сжатию текучих сред повышаются до еще более высоких показателей конечного давления. При этом поршневое кольцо известного уровня техники лишь в ограниченной степени пригодно для использования при высоких перепадах давления, поскольку под нагрузкой создает явно выраженную пластическую деформацию в холодном состоянии, что приводит к быстрому износу поршневого кольца. Таким образом, поршневое кольцо известного уровня техники лишь в ограниченной степени подходит для компрессоров, в которых конечное давление составляет свыше 200 Бар.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Цель изобретения заключается в создании поршневого кольца и поршневого компрессора, которые отличаются более преимущественными рабочими характеристиками.

Указанная цель достигнута посредством поршневого кольца, имеющего признаки, изложенные в п. 1 формулы изобретения. Зависимые пункты 2-8 формулы изобретения относятся к дополнительным преимущественным вариантам выполнения изобретения. Указанная цель изобретения также достигнута посредством поршневого компрессора, отличающегося признаками, изложенными в п. 9 формулы изобретения. Зависимые пункты 10-12 формулы изобретения относятся к дополнительным преимущественным вариантам выполнения. Цель изобретения также достигнута путем применения поршневого кольца, выполненного согласно изобретению, в поршневом компрессоре для сжатия текучей среды до показателей давления, превышающих 500 Бар.

В частности, цель изобретения достигнута посредством поршневого кольца, содержащего замкнутое базовое кольцо и уплотняющее кольцо, причем базовое кольцо имеет переднюю поверхность, ориентированную в радиальном наружном направлении, а уплотняющее кольцо имеет переднюю уплотняющую поверхность, ориентированную в радиальном наружном направлении, и проходящую по кругу внутреннюю боковую уплотняющую поверхность, ориентированную в радиальном внутреннем направлении, при этом уплотняющее кольцо имеет три тангенциальных разреза, которые проходят тангенциально относительно внутренней боковой поверхности уплотняющего кольца, так что уплотняющее кольцо имеет три сегмента, расположенных последовательно в окружном направлении и отделенных тангенциальным разрезом, причем замкнутое базовое кольцо и уплотняющее кольцо расположены последовательно в продольном направлении и перпендикулярно окружному направлению, причем верхнее кольцо расположено так, что оно примыкает к уплотняющему кольцу в продольном направлении, при этом верхнее кольцо имеет внешнюю боковую поверхность, ориентированную в радиальном наружном направлении, и внутреннюю боковую поверхность, ориентированную в радиальном внутреннем направлении, и на боковой поверхности, обращенной от уплотняющего кольца, верхнее кольцо имеет по меньшей мере один, проходящий радиально канал для обратного потока, проходящий в радиальном направлении по всей ширине верхнего кольца, при этом уплотняющая передняя поверхность выступает в радиальном направлении за пределы наружной боковой поверхности верхнего кольца и передней поверхности базового кольца, причем базовое кольцо и верхнее кольцо имеют более высокий предел прочности на разрыв по сравнению с уплотняющим кольцом.

В предпочтительном варианте выполнения предел прочности на разрыв для базового кольца и верхнего кольца по меньшей мере в 1,5 раза выше, чем предел прочности на разрыв для уплотняющего кольца.

Поршневое кольцо согласно изобретению выполнено в виде «многослойного» поршневого кольца и содержит уплотняющее кольцо и опорные кольца, расположенные по обеим сторонам в осевом направлении, а именно, базовое кольцо и верхнее кольцо, которые опираются на уплотняющее кольцо, причем опорные кольца предпочтительно имеют пластинчатую конструкцию. По сравнению с базовым кольцом и верхним кольцом уплотняющее кольцо состоит из более мягкого материала, имеющего предпочтительно хорошую приспособляемость по форме, в частности, в радиальном направлении. Таким образом, по сравнению базовым кольцом и верхним кольцом уплотняющее кольцо имеет меньший предел прочности на разрыв. В осевом направлении поршневое кольцо содержит с одной стороны базовое кольцо, а с другой стороны верхнее кольцо, причем базовое кольцо и верхнее кольцо образуют два опорных кольца и, таким образом, уплотняющее кольцо с каждой стороны упирается в одно из указанных колец и удерживается с их помощью. Базовое кольцо и предпочтительно также верхнее кольцо имеют замкнутую конфигурацию и выполнены из сравнительно прочного материала, то есть, материала с повышенным пределом прочности на разрыв по сравнению с уплотняющим кольцом. Уплотняющее кольцо, состоящее из сравнительно мягкого материала или материала с пониженным пределом прочности на разрыв, хорошо и надежно удерживается между базовым кольцом и верхним кольцом и имеет хорошую приспособляемость по форме в радиальном направлении, обеспечивая прилегание указанного кольца к внутренней стенке поршня при надлежащем уплотнении и тем самым, предотвращает или уменьшает любую возможную утечку.

В случае использования поршневого кольца согласно изобретению, уплотняющее кольцо выполнено в качестве фрикционного уплотнительного элемента, так что уплотняющее кольцо скользит вдоль внутренней стенки цилиндра, причем поршневое кольцо может быть использовано способом сухого хода или со смазкой. Поршневое кольцо согласно изобретению предпочтительно подходит для взаимодействия с поршневыми компрессорами, в которых камера сжатия испытывает высокую нагрузку по давлению, предпочтительно более 500 Бар, и/или высокую температурную нагрузку.

В качестве особого предпочтения, уплотняющее кольцо имеет небольшую общую высоту в осевом направлении, предпочтительно общая высота находится в диапазоне от 1 мм до 6 мм. Поршневое кольцо согласно изобретению установлено в поршневом компрессоре таким образом, что и базовое кольцо, и верхнее кольцо оставляют небольшой зазор между боковой поверхностью, направленной радиально наружу, и внутренней боковой поверхностью цилиндра, по меньшей мере в холодном состоянии, например, зазор, составляющий от нескольких десятых миллиметра до нескольких сотых миллиметра. С другой стороны, уплотняющее кольцо выступает за пределы базового кольца и верхнего кольца в радиальном направлении и касается внутренней боковой поверхности цилиндра. В преимущественном варианте выполнения базовое кольцо и верхнее кольцо не входят в контакт с внутренней боковой поверхностью цилиндра в процессе эксплуатации и поэтому не образуют фрикционные кольца. В данном варианте выполнения как базовое, так и верхнее кольцо не должны обладать свойствами сухого хода.

В отличие от базового кольца, которое расположено на стороне, обращенной от камеры сжатия, верхнее кольцо, на стороне, обращенной к камере сжатия, дополнительно имеет по меньшей мере одну канавку для обратного потока, которая обеспечивает передачу давления в камеру сжатия в процессе повторного расширения. Таким образом, базовое кольцо и верхнее кольцо, которые расположены по обеим сторонам уплотняющего кольца, предотвращают разрушение уплотняющего кольца в результате динамического воздействия сил давления, действующих в обоих направлениях движения поршня по обеим сторонам уплотняющего кольца. Повторное расширение имеет место, как описано далее. Из-за протечек между отдельными уплотняющими элементами уплотнительной системы, воздействие в пределах кривой давления, которая изменяется относительно времени, тоже вызывает перепады давления в направлении камеры сжатия. Таким образом, во время фазы сжатия давление в камерах уплотнительных элементов, непосредственно следующих за камерой сжатия, поднимается до значений, превышающих уровень давления всасывания и, в зависимости от состояния износа уплотнительных элементов, может почти достигать конечного давления сжатия. Если затем давление в цилиндре падает в направлении давления всасывания в процессе фазы расширения, имеет место сброс давления назад в камеру сжатия, то есть, направление воздействия на уплотнительные элементы, расположенные вблизи указанной камеры, изменяется на обратное.

Таким образом, преимущество поршневого кольца согласно изобретению заключается в том, что уплотняющее кольцо, рассеченное тангенциальными разрезами, с одной стороны, в процессе сжатия поддерживается посредством базового кольца, а в процессе расширения посредством верхнего кольца, в результате чего разрезанное уплотняющее кольцо защищено от сил жесткого воздействия и, тем самым, от повреждения как в процессе сжатия, так и особенно в процессе расширения.

Согласно изобретению, многослойная конструкция поршневого кольца обеспечивает возможность выполнения уплотняющего кольца из пластмассы, которая по сути не подходит для уплотнения больших перепадов давления в варианте выполнения «свободно стоящего кольца», то есть, без опорных колец. В зависимости от варианта выполнения, поршневое кольцо согласно изобретению может работать способом сухого хода или с использованием смазки. В случае использования поршневого кольца сухого хода, по меньшей мере уплотняющее кольцо должно обладать свойствами сухого хода. Подобным образом, если базовое и/или верхнее кольцо скользит/скользят вдоль внутренней стенки цилиндра в процессе эксплуатации, указанные опорные кольца тоже будут обладать свойствами сухого хода. Уплотняющее кольцо предпочтительно образовано из PTFE (фторопластового) материала или полимерной смеси, причем высокотемпературные полимеры также применяют в случае очень больших перепадов давления. Более того, уплотнительные кольца сухого хода заполнены неорганическими наполнителями, такими как углерод, графит, стекловолокна, MoS₂ или бронза. Целесообразно, чтобы базовое кольцо и верхнее кольцо состояли из высокотемпературного полимера, волоконного композиционного материала и, в случае очень высоких перепадов давления, из металла, например, бронзы.

Далее приведены иллюстративные комбинации материалов для базового кольца, уплотняющего кольца и верхнего кольца. Как уже упомянуто выше, одно обязательное условие заключается в том, что базовое кольцо и верхнее кольцо имеют более высокий предел прочности на разрыв по сравнению с уплотняющим кольцом. В зависимости от конечного давления, которое необходимо обеспечить, могут быть приемлемы, например, приведенные ниже комбинации материалов, при этом подробные сведения, касающиеся используемых материалов, приведены далее после таблицы.

Далее подробно описаны материалы, применяемые согласно Таблице 1, причем в случае колец сухого хода особенно необходимы материалы с наполнителем, указанные далее.

Например, в качестве высокотемпературных полимеров подходит чистый РЕЕК (полиэфирэфиркетон) или РЕЕК с наполнителем, чистый полиамид или полиамид с наполнителем, чистый PPS (полифениленсульфид) или PPS с наполнителем, либо чистый эпоксид или эпоксид с наполнителем.

В качестве PTFE применим модифицированный PTFE, также называемый «мод. PTFE», или PTFE с наполнителем, заполненный неорганическими наполнителями, такими как углерод, графит, стекловолокна, MoS₂, и/или бронза.

В качестве полимерной смеси подходит смесь из по меньшей мере двух органических пластиков, таких как PTFE, PEEK, PPS, причем полимерная смесь также может содержать неорганический наполнитель, такой как углерод, графит, стекловолокна, MoS2, и/или бронзу.

Углеродные волокна, например, в матрице из РЕЕК или эпоксида, применимы в качестве волоконного композиционного материала.

В качестве медного сплава применимы, например, бронзосодержащие материалы, такие как алюминий, свинец или оловянная бронза, либо такой материал, как латунь.

Для уплотняющего кольца особо подходящим пластиком является политетрафторэтилен (PTFE), к которому добавлены наполнители, предпочтительно являющиеся неорганическими, такие как углерод, графит, стекловолокна и т.д., с целью улучшения его физических, механических и/или трибологических свойств, в частности, для придания свойств, обеспечивающих сухой ход. Несмотря на указанные наполнители, использование ранее известных уплотняющих колец, выполненных из PTFE, было ограничено небольшими перепадами давления благодаря выраженной тенденции холодной текучести PTFE. Преимущество поршневого кольца согласно изобретению заключается в том, что уплотняющее кольцо, состоящее из PTFE, может надежно эксплуатироваться даже при сравнительно высоких перепадах давления. Это может быть объяснено со ссылкой на приведенный ниже пример «Поршневое кольцо 1» сухого хода. Иллюстративное поршневое кольцо 1 содержит уплотняющее кольцо, состоящее из PTFE с наполнителем, причем PTFE заполнен углеродом или графитом. При температуре 20°С предел прочности на разрыв для уплотняющего кольца данного типа составляет 10 МПа. Базовое кольцо и верхнее кольцо состоят из РЕЕК с наполнителем. При температуре 250°С предел прочности на разрыв для базового кольца и верхнего кольца данного типа составляет 18 МПа. В данном иллюстративном варианте выполнения поршневое кольцо согласно изобретению может без проблем эксплуатироваться в режиме сухого хода при 250°С, хотя при данной температуре уплотняющее кольцо имеет чрезвычайно низкую прочность на разрыв, поскольку данное кольцо удерживается в осевом направлении между опорными кольцами, то есть, между базовым кольцом и верхним кольцом, и не может выскользнуть в радиальном направлении, так как оно упирается во внутреннюю стенку цилиндра в радиальном направлении. Расстояние между базовым кольцом и верхним кольцом и внутренней стенкой цилиндра предпочтительно составляет от нескольких десятых до нескольких сотых миллиметра.

Приведенное в качестве примера «Поршневое кольцо 1» также может быть использовано для уплотнения камеры сжатия в поршневом компрессоре с масляной смазкой. В данном случае уплотняющее кольцо может состоять, например, из модифицированного PTFE, а базовое кольцо и верхнее кольцо могут состоять, например, из чистого РЕЕК. Кроме того, базовое кольцо и верхнее кольцо могут состоять, например, из РЕЕК с наполнителем, причем РЕЕК заполнен углеродными волокнами (10% веса), PTFE (10% веса) и графитом (10%) веса).

Как представлено выше на примере, включающем «Поршневое кольцо 3» и Поршневое кольцо 4», для поршня с высокой нагрузкой по давлению и/или температурной нагрузкой можно использовать поршневое кольцо, содержащее уплотняющее кольцо, состоящее из высокотемпературного полимера, такого как полиэфирэфиркетон (РЕЕК), либо полиамид (PI), а также содержащее верхнее кольцо и базовое кольцо, состоящие из волоконного композиционного материала, такого как углеродные волокна в матрице из РЕЕК или углеродные волокна в эпоксидной матрице.

Особенно в случае поршневых компрессоров с масляной смазкой, перепады давления тоже могут иметь очень высокие значения, превышающие 1000 Бар, и, следовательно, как представлено выше для «Поршневого кольца 4», также можно использовать поршневые кольца, содержащие базовое кольцо и верхнее кольцо, состоящие из цельного металлического кольца, особенно в случае указанных поршневых компрессоров.

Далее изобретение описано подробно на примере иллюстративных вариантов выполнения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На чертежах, представляющих иллюстративные варианты выполнения:

Фиг. 1 изображает продольный разрез уплотнительного устройства, расположенного на поршне;

Фиг. 2 изображает вид сверху верхнего кольца;

Фиг. 3 изображает вид сверху уплотняющего кольца вместе с зажимным кольцом;

Фиг. 4 изображает вид сверху базового кольца;

Фиг. 5 изображает продольный разрез второго иллюстративного варианта выполнения уплотнительного устройства;

Фиг. 6 изображает вид сбоку поршня, имеющего несколько уплотнительных устройств;

Фиг. 7 изображает продольный разрез третьего иллюстративного варианта выполнения уплотнительного устройства;

Фиг. 8 изображает вид сверху верхнего кольца.

На чертежах одинаковые элементы, как правило, обозначены одинаковыми номерами позиций.

ВАРИАНТЫ ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На Фиг. 1 изображен продольный разрез поршневого компрессора, содержащего цилиндр 10, поршень 12 и по меньшей мере одно поршневое кольцо 1, расположенное в поршне 12. Поршень 12 выполнен в виде составного поршня и содержит корпуса 11, расположенные последовательно в продольном направлении L, причем каждый корпус 11 имеет диск 11а рабочей камеры, который образует внутреннее пространство 11b. Во внутреннем пространстве 11b расположено поршневое кольцо 1. На Фиг. 1 камера 13 сжатия поршневого компрессора расположена вверху, а картер или часть 14 низкого давления расположена внизу. Поршневое кольцо 1 содержит уплотняющее кольцо 3, зажимное кольцо 4, верхнее кольцо 2 и базовое кольцо 5. Поршневое кольцо 1 отстоит от диска 11а в радиальном направлении относительно продольной оси L, тем самым образуя внутренний зазор 8. Внутренний зазор 8 проточно соединен, посредством радиального канала 2а для обратного потока и наружного зазора 6, расположенного вверху, с пространством, которое расположено выше и не видно на чертеже.

На Фиг. 2 показан вид сверху верхнего кольца 2 от направления камеры 13 сжатия. Верхнее кольцо 2 имеет внешнюю боковую поверхность 2 с, ориентированную в радиальном наружном направлении, и проходящую по кругу внутреннюю боковую поверхность 2d, ориентированную в радиальном внутреннем направлении. Верхнее кольцо 2 выполнено в виде замкнутого кольца и имеет радиальные каналы 2а для обратного потока, распределенные в окружном направлении и проходящие в радиальном направлении по всей ширине верхнего кольца 2.

На Фиг. 3 изображен вид сверху уплотняющего кольца 3 от направления камеры 13 сжатия. Уплотняющее кольцо 3 имеет уплотнительную переднюю поверхность 3е, ориентированную в радиальном наружном направлении, и проходящую по кругу внутреннюю боковую поверхность 3f, ориентированную в радиальном внутреннем направлении, причем кольцо 3 имеет три тангенциальных разреза 3d, проходящих тангенциально относительно поверхности 3f, так что уплотняющее кольцо 3 содержит три сегмента 3а, 3b, 3с, которые расположены последовательно в окружном направлении U и отделены тангенциальным разрезом 3d. Зажимное кольцо 4, имеющее зазор 4а, преимущественно расположено таким образом, что упирается во внутреннюю боковую поверхность 3f уплотняющего кольца. Зажимное кольцо 4, которое входит в контакт вдоль внутренней боковой поверхности 3f уплотняющего кольца, оказывает направленное радиально наружу усилие на указанную поверхность 3f. Можно обойтись и без зажимного кольца 4, при этом текучая среда, находящаяся во внутреннем пространстве 11b, может оказывать направленное радиально наружу усилие на внутреннюю боковую поверхность 3f уплотняющего кольца.

На Фиг. 4 изображен вид сверху базового кольца 5, которое имеет переднюю поверхность 5а, ориентированную в радиальном наружном направлении.

Замкнутое базовое кольцо 5 и уплотняющее кольцо 3 расположены последовательно в продольном направлении L перпендикулярно окружному направлению U, причем замкнутое верхнее кольцо 2 расположено так, что оно примыкает к уплотняющему кольцу 3 в продольном направлении L, так что, как изображено на Фиг. 1, образованное поршневое кольцо 1 содержит базовое кольцо 5, уплотняющее кольцо 3 и верхнее кольцо 2.

В неиспользованном состоянии, то есть, до эксплуатации уплотняющего кольца 3 в течение определенного времени, указанное кольцо выполнено так, что его уплотняющая поверхность 3е выступает в радиальном направлении за пределы наружной боковой поверхности 2 с верхнего кольца и передней поверхности 5а базового кольца, как изображено на Фиг. 1. Для того, чтобы в максимальной степени обеспечить опорное и защитное действие верхнего кольца 2 и базового кольца 5 для уплотняющего кольца 3, предпочтительно соблюдают минимальный зазор между верхним кольцом 2 и/или базовым кольцом 5 и внутренней стенкой цилиндра 10 или каналом 10а цилиндра. В иллюстративном варианте выполнения, представленном на Фиг. 1, наружный диаметр по меньшей мере верхнего кольца 2 и/или базового кольца 5 всего лишь на несколько сотых или несколько десятых миллиметра меньше внутреннего диаметра канала 10а цилиндра. Из-за нагрева поршневого кольца 1 в процессе эксплуатации данное кольцо подвергается тепловому расширению. В преимущественном варианте выполнения наружный диаметр верхнего кольца 2 и/или базового кольца 5 увеличивается до диаметра, равного или превышающего диаметр канала цилиндра. Если наружный диаметр базового кольца 5 и/или верхнего кольца 2 стремится к увеличению до диаметра, превышающего канал цилиндра, то в результате верхнее кольцо 2 и/или базовое кольцо 5 упирается во внутреннюю стенку 10а цилиндра в процессе фазы приработки, и в ходе данного процесса происходит истирание материала верхнего кольца 2 и/или базового кольца 5 по наружной передней поверхности, так что в результате эксплуатации верхнее кольцо 2 и/или базовое кольцо 5 в горячем состоянии установлено без зазора в канале цилиндра 10. Чтобы гарантировать, что во время данного процесса приработки отсутствует заклинивание верхнего кольца 2 и/или базового кольца 5, передние поверхности, ориентированные по направлению к внутренней стенке цилиндра 10, предпочтительно выполнены так, что по меньшей мере частично расширяются, предпочтительно коническим образом, обеспечивая изнашивание не всей ширины верхнего кольца 2 и/или базового кольца 5, а только зоны, которая в противном случае выступает за пределы внутренней стенки цилиндра 10. Во время фазы приработки уплотняющее кольцо 3 дополнительно истирается у уплотняющей поверхности 3е данного кольца, в результате, в предпочтительном варианте выполнения и в нагретом состоянии уплотняющее кольцо 3, верхнее кольцо 2 и базовое кольцо 5 расположены без зазора в канале цилиндра 10.

При этом, как изображено на Фиг. 5, можно обойтись и без конической конфигурации наружной боковой поверхности 2 с верхнего кольца и/или передней поверхности 5а базового кольца. На Фиг. 5 изображено поршневое кольцо 1 в приработанном состоянии и в процессе эксплуатации, то есть, в нагретом состоянии. Верхнее кольцо 2 и базовое кольцо 5 подогнаны к внутренней стенке 10а цилиндра таким образом, что в горячем состоянии в процессе эксплуатации указанные кольца перемещаются взад и вперед без зазора в направлении, в котором проходит продольная ось L. Более того, уплотняющее кольцо 3 подогнано таким образом, что оно расположено между верхним кольцом 2 и базовым кольцом 5 способом, обеспечивающим его перемещение наружу в радиальном направлении и с усилием предварительного натяга, по существу определяемым зажимным кольцом 4, и обеспечивает фрикционный контакт с внутренней стенкой 10а цилиндра.

На Фиг. 6 показан вид сбоку одного иллюстративного варианта выполнения поршня 12, который, начиная от стороны 13 высокого давления, имеет несколько уплотняющих элементов, отстоящих в продольном направлении L, а именно, четыре обжимных поршневых кольца 15 слева и, последовательно в продольном направлении L, пять поршневых колец 1. Справа дополнительно расположено направляющее кольцо 15.

На Фиг. 7 изображен продольный разрез третьего иллюстративного варианта выполнения уплотнительного устройства 1. На Фиг. 8 представлен вид сверху верхнего кольца 2, изображенного на Фиг. 7. В отличие от иллюстративного варианта выполнения, изображенного на Фиг. 1 и 2, верхнее кольцо 2 имеет радиальный разрез 2е и, следовательно, в данном месте имеет стык или зазор. Таким образом, верхнее кольцо 2 выполнено уже не в виде замкнутого верхнего кольца 2, а в виде разрезного кольца 2. Более того, в отличие от иллюстративного варианта выполнения, изображенного на Фиг. 1 и 2, верхнее кольцо 2 имеет L-образное поперечное сечение, имеющее первое ответвление 2f, проходящее радиально относительно продольной оси L, и второе ответвление 2g, проходящее в направлении продольной оси L. Уплотняющий элемент 3 расположен перед вторым ответвлением 2g в радиальном направлении, причем второе ответвление 2g предпочтительно упирается во внутреннюю боковую поверхность 3f уплотняющего кольца 3. Второе ответвление 2g, расположенное за уплотняющим элементом 3 в радиальном направлении, дополнительно имеет характеристики зажимного кольца или пружины и, таким образом, выполняет функцию зажимного кольца или пружины. Сила, действующая наружу в радиальном направлении на уплотняющий элемент 3, обусловлена упругими свойствами верхнего кольца 2 и/или внутренним давлением, преобладающим во внутреннем зазоре 8 и действующим на верхнее кольцо 2. Верхнее кольцо 2, которое имеет радиальный разрез 2е, благодаря указанному разрезу имеет четко выраженные свойства фрикционного кольца, 2е, причем посредством второго ответвления 2g верхнее кольцо 2 одновременно создает усилие, действующее в наружном радиальном направлении на уплотняющий элемент 3, позволяя обойтись без отдельного зажимного кольца 4, например, изображенного на Фиг. 1 и 5.

Claims

1. Поршневое кольцо, содержащее замкнутое базовое кольцо (5) и уплотняющее кольцо (3), причем базовое кольцо (5) имеет переднюю поверхность (5а), ориентированную в радиальном наружном направлении, а уплотняющее кольцо (3) имеет уплотняющую переднюю поверхность (3е), ориентированную в радиальном наружном направлении, и проходящую по кругу внутреннюю боковую поверхность (3f), ориентированную в радиальном внутреннем направлении, при этом уплотняющее кольцо (3) имеет три тангенциальных выреза (3d), которые проходят тангенциально относительно внутренней боковой поверхности (3f) уплотняющего кольца, так что уплотняющее кольцо (3) имеет три сегмента (3а, 3b, 3с), расположенных последовательно в окружном направлении (U) и отделенных тангенциальным разрезом (3d), причем замкнутое базовое кольцо (5) и уплотняющее кольцо (3) расположены последовательно в продольном направлении (L) перпендикулярно окружному направлению (U), отличающееся тем, что оно имеет верхнее кольцо (2), расположенное так, что оно примыкает к уплотняющему кольцу (3) в продольном направлении (L), причем верхнее кольцо (2) имеет внешнюю боковую поверхность (2с), ориентированную в радиальном наружном направлении, и внутреннюю боковую поверхность (2d), ориентированную в радиальном внутреннем направлении, верхнее кольцо (2) на стороне, обращенной от уплотняющего кольца (3), имеет по меньшей мере один радиальный канал (2а) для обратного потока, проходящий в радиальном направлении по всей ширине верхнего кольца (2), уплотняющая поверхность (3е) выступает в радиальном направлении за пределы наружной боковой поверхности (2с) верхнего кольца и передней поверхности (5а) базового кольца, и базовое кольцо (5) и верхнее кольцо (2) имеют более высокий предел прочности на разрыв, чем уплотняющее кольцо (3).

2. Поршневое кольцо по п. 1, отличающееся тем, что верхнее кольцо (2) выполнено в виде замкнутого кольца (2).

3. Поршневое кольцо по п. 1 или 2, отличающееся тем, что в контакте с внутренней боковой поверхностью (3f) уплотняющего кольца находится зажимное кольцо (4), которое оказывает направленное радиально наружу усилие на внутреннюю боковую поверхность (3f) уплотняющего кольца.

4. Поршневое кольцо по п. 1, отличающееся тем, что верхнее кольцо (2) имеет радиальный разрез (2е), причем верхнее кольцо (2) имеет L-образное поперечное сечение, которое имеет первое ответвление (2f), проходящее радиально относительно продольной оси (L), и второе ответвление (2g), проходящее в направлении продольной оси (L), при этом внутренняя боковая поверхность (3f) уплотняющего кольца (3) ориентирована по направлению ко второму ответвлению (2g).

5. Поршневое кольцо по любому из пп. 1-4, отличающееся тем, что предел прочности на разрыв для базового кольца (5) и верхнего кольца (2) по меньшей мере в 1,5 раза выше, чем предел прочности на разрыв для уплотняющего кольца (3).

6. Поршневое кольцо по любому из пп. 1-5, отличающееся тем, что высота уплотняющего кольца (3) в продольном направлении (L) находится в диапазоне от 1 мм до 6 мм.

7. Поршневое кольцо по любому из пп. 1-6, отличающееся тем, что передняя поверхность (5а) базового кольца и/или наружная боковая поверхность (2с) верхнего кольца сужаются или сужается в осевом направлении (L), начиная от уплотняющего кольца (3).

8. Поршневое кольцо по п. 7, отличающееся тем, что передняя поверхность (5а) базового кольца и/или наружная боковая поверхность (2с) верхнего кольца сужаются или сужается коническим образом в осевом направлении (L).

9. Поршневой компрессор, содержащий поршневое кольцо (1) по любому из пп. 1-8.

10. Поршневой компрессор по п. 9, содержащий поршень (12) и цилиндр (10), имеющий канал (10а), отличающийся тем, что наружный диаметр базового кольца (5) и/или верхнего кольца (2) менее чем на одну десятую, а предпочтительно лишь на несколько сотых миллиметра меньше внутреннего диаметра канала (10а) цилиндра.

11. Поршневой компрессор по п. 10, отличающийся тем, что наружный диаметр базового кольца (5) и/или верхнего кольца (2) в холодном состоянии имеет такое значение, что в нагретом состоянии базовое кольцо (5) и/или верхнее кольцо (2) расположены или расположено без зазора в цилиндре (10).

12. Поршневой компрессор по любому из пп. 9-11, содержащий поршень (12), имеющий корпус (11) и несколько поршневых колец (1), причем корпус (11) имеет окружные канавки (11b), которые расположены последовательно в осевом направлении (L) и в каждой из которых расположено поршневое кольцо (1), причем осевая ширина окружной канавки (11b) превышает общую осевую ширину поршневого кольца (1) и поршневое кольцо (1) расположено на радиальном расстоянии от корпуса (11) поршня со стороны, ориентированной в радиальном внутреннем направлении.

13. Применение поршневого кольца по любому из пп. 1-8 для сжатия текучей среды до давления, составляющего от 500 Бар до 1000 Бар.