SK61598A3 - Piston ring - Google Patents

Description

Vynález sa týka piestneho krúžku piestového kompresora s chodom nasucho.

Doterajší stav techniky

Na stláčanie tekutín, ako sú plyny alebo pary, sa používajú kompresory s chodom nasucho, s tesniacimi krúžkami z plastu, ako je napríklad PTFE, ktoré sa používajú ako tesniace prvky. Takéto tesniace prvky majú nevýhodu, že v priebehu činnosti sa silne opotrebúvajú, čo vedie k nedostatočnej životnosti. Najmä prierezy voľných medzier v axiálnom a radiálnom smere, ktoré sú výsledkom medzier v krúžku a opotrebenia tesniacich prvkov, majú význačný podiel na skutočnosti, že tieto tesniace prvky nedosahujú svoju plnú účinnosť požadovanú dobu. Vyžaduje sa tesniaci prvok s dobrým tesniacim účinkom, ktorý je stály po dlhú dobu, najmä pri stláčaní veľmi ľahkých plynov, ako je vodík.

Cieľom tohto vynálezu je navrhnúť ekonomicky výhodnejší, najmä menej sa opotrebúvajúci piestny krúžok pre piestový kompresor s chodom nasucho, najmä na stláčanie veľmi ľahkých plynov.

Podstata vynálezu

Predmetom vynálezu je piestny krúžok piestového kompresora s chodom nasucho, pozostávajúci z dvoch jednokusových telies tvaru prstenca s krúžkovými medzerami alebo tupými spojmi, pričom tieto telesá budeme v ďalšom označovať ako krúžky. Tieto krúžky sú usporiadané tak, aby sa rozprestierali navzájom sústredne vzhľadom na os C. Prvý krúžok má v podstate prierez tvaru L, s prvým ramenom, rozprestierajúcim sa v smere osi C, a s druhým ramenom, rozprestierajúcim sa smerom von radiálne k osi C. Každé z týchto dvoch ramien má vnútorný povrch, pričom druhý krúžok je vyhotovený takým spôsobom, aby

-2jeho povrchy, smerujúce k prvému krúžku, boli v styku s vnútornými povrchmi prvého krúžku tvarovo lícujúcim spôsobom. Druhé rameno, rozprestierajúce sa radiálne smerom von od osi C, má vnútorný povrch, ktorý je sklonený v radiálnom smere vzhľadom na os C pod uhlom sklonu menším než 90°. Tento vnútorný povrch má dotyčnicu, prebiehajúcu v radiálnom smere, ktorá pretína os C pod ostrým uhlom. Vo výhodnom uskutočnení tohto vynálezu je tento vnútorný povrch vyhotovený ako kužeľový povrch.

V piestových kompresoroch s chodom nasucho nie je k dispozícii žiadne mastivo, ktoré by mastilo piestne krúžky piesta a dodatočne ho utesňovalo. V súlade s tým kovové piestne krúžky nie sú vhodné na takéto použitie s chodom nasucho. Trecie páry s chodom nasucho pracujú v dôsledku tuhých mastív, ktoré sa nachádzajú v jednom z trecích partnerov. Piestny krúžok podľa tohto vynálezu preto pozostáva z plastu, špeciálne modifikovaného pre chod nasucho tuhými mastivami, ako sú PTFE, grafit alebo disulfid molybdénu.

Tesniace prvky s veľmi vysokým tesniacim účinkom sa vyžadujú najmä vtedy, keď sa stláčajú veľmi ľahké plyny, ako je napríklad vodík, na veľmi vysoké tlaky, aby sa udržalo čo najmenšie unikanie. Dobrý tesniaci účinok sa dá dosiahnuť napríklad spojením dvoch tesniacich krúžkov do dvojitého krúžku takým spôsobom, aby nevznikli žiadne priechodné medzery alebo priestory.

Samomastiaci účinok trecích tesnení s chodom nasucho má za následok, že piestne krúžky, ktoré poskytujú mastivo, sa postupne obrusujú. Známe dvojité krúžky z plastu majú nevýhodu, že obe časti krúžku sú voči sebe navzájom premiestniteľné v radiálnom smere. Pretože tlakový profil v tesniacich podpovrchoch oboch krúžkových povrchov v blízkosti steny valca nie je konštantný, radiálna premiestniteľnosť umožňuje, aby sa jedna z oboch krúžkových častí obrusovala rýchlejšie než druhá. Toto nerovnaké opotrebúvanie má účinok taký, že obe krúžkové časti sa viac úplne neprekrývajú, a preto vznikajú medzery, cez ktoré pretekajú veľké množstvá unikajúceho plynu, najmä pri veľmi ľahkých plynoch pod vysokým tlakom, čo podstatne znižuje množstvo plynu, dopravovaného kompresorom s chodom nasucho. Piestny krúžok podľa tohto vynálezu je zvlášť vhodný na stláčanie s chodom nasucho veľmi ľahkých plynov na vysoký konečný tlak. Tento piestny krúžok má výhodu, že v dôsledku konštrukcie

-3oboch krúžkových častí alebo telies tvaru prstenca, ich vzájomného sklonu a tvarovo lícujúceho spojenia oboch krúžkových častí dochádza v priebehu činnosti k rovnomernému, zosúladenému opotrebúvaniu oboch krúžkových časti. Obe krúžkové časti sú tlačené na seba tlakom plynného prostredia, ktorá sa má stlačiť, bez vzájomného pohybu alebo len s minimálnym vzájomným relatívnym pohybom v dôsledku tvarovo lícujúceho spojenia oboch krúžkových častí, takže tesniace podpovrchy oboch krúžkových častí, ktoré napríklad smerujú k stene valca, podliehajú rovnomernému obrusovaniu materiálu. Takto sa nemôžu vytvoriť žiadne alebo len malé miestne body netesnosti, v dôsledku čoho tesniaci účinok piestneho krúžku zostane približne stály v priebehu dlhšej prevádzkovej doby v piestových kompresoroch s chodom nasucho.

V ďalšom vysvetlíme vynález s odkazom na niekoľko uskutočnení.

Prehľad obrázkov na výkresoch

Obr. 1 znázorňuje pozdĺžny rez piestom s valcom.

Obr. 2a znázorňuje prierez druhého krúžku.

Obr. 2b znázorňuje prierez prvého krúžku.

Obr. 3a znázorňuje pôdorys druhého krúžku.

Obr. 3b znázorňuje pôdorys prvého krúžku.

Obr. 4 znázorňuje piestny krúžok, usporiadaný v jednokusovom pieste.

Obr. 5 znázorňuje dva piestne krúžky, usporiadané v zostavenom pieste. Obr. 6a znázorňuje prierez ďalším uskutočnením druhého krúžku.

Obr. 6b znázorňuje prierez ďalším uskutočnením prvého krúžku.

Obr. 7a znázorňuje pôdorys druhého krúžku.

Obr. 7b znázorňuje pôdorys prvého krúžku.

Príklady uskutočnenia vynálezu

Obr. 1 znázorňuje pozdĺžny rez piestovým kompresorom s chodom nasucho s valcom 1, v ktorom je usporiadaný piest 2 tak, aby bol pohyblivý nahor a nadol. Spodný koniec piesta 2 prechádza do piestovej tyče 3, ktorá je spojená

-4známym, neznázorneným spôsobom s kľukovým pohonom. Nad piestom 2 je kompresný priestor 4, do ktorého sa nasáva plyn, ktorý sa má stlačiť, v priebehu pohybu piesta 2 nadol známym spôsobom, neznázornené. Tento plyn sa stlačí pri nasledujúcom pohybe piesta nahor a vytlačí sa z kompresného priestoru. Piest 2 má tyčové predĺženie 5 piestovej tyče 3, na ktorom je umiestnená objímka, nesúca sedem piestnych krúžkov 10, umiestnených nad sebou. Pri zostavenom pieste 2 sú jednotlivé časti piesta 2, ako aj piestne krúžky 10 držané spolu maticou 7, naskrutkovanou na horný koniec predĺženia 5. Taktiež je znázornená stredová os C piesta 2.

Úsek A je znázornený zväčšený na obr. 5, kde sú znázornené dva úseky A. Zostavený piest je vyrobený z jednotlivých častí a obsahuje objímku 6, rozprestierajúcu sa v axiálnom smere, komorové krúžky 8a, 8b, umiestnené okolo objímky 6, ako aj piestne krúžky 10 (obr.5), umiestnené v drážkach. Každý z piestnych krúžkov 10 pozostáva z prvého krúžku 10a a druhého krúžku 10b. Oba krúžky 10a, 10b sú vyhotovené vzájomne prispôsobeným spôsobom tak, že navzájom sa dotýkajúce plochy priliehajú k sebe tvarovo lícujúcim spôsobom. Každý z krúžkov 10a, 10b má plochy 10d, 10c, smerujúce k stene valca 1, ktoré sa klzné pohybujú nahor a nadol pozdĺž steny valca počas činnosti piesta 2.

Obr. 4 znázorňuje úsek A jednokusového piesta 2 s komorovým krúžkom 8 a piestnym krúžkom 10, pozostávajúcim z dvoch krúžkov 10a, 10b, umiestnených v drážke. Prvý krúžok 10a je usporiadaný vo valci 1 v smere k tlakovej strane s tlakom plynu 9, vyvíjajúcim sily na prvý krúžok 10a v axiálnom smere, pôsobiace v axiálnom smere 9a, ako aj v radiálnom smere 9b, takže celý piestny krúžok 10 je po prvé tlačený na vnútornú stenu valca 1 a po druhé tlačený v axiálnom smere na hraničný povrch drážky, vzdialený od tlakovej strany. Týmto spôsobom sa tesniaci účinok piestneho krúžku zvyšuje v priebehu činnosti a oba krúžky 10a, 10b sú držané v drážke a navzájom tvarovo lícujú bez alebo len s malým relatívnym pohybom. Toto navzájom tvarovo lícujúce spojenie má za následok, že podpovrchy 10c, 10d oboch krúžkov 10b, 10a, ktoré sa spoločne kĺžu a trú o stenu 1a valca, sa rovnomerne opotrebúvajú, takže nevznikajú žiadne miestne body netesnosti a oba krúžky 10a, 10b sú v styku so stenou 1a valca s tým istým účinkom po dlhú dobu prevádzky.

- 5Piestny krúžok 10, znázornený na obr. 4 a 5, obsahujúci krúžky 10a, 10b. je detailne znázornený na obr. 3a, 3b v pôdoryse a na obr. 2a, 2b v reze. Oba krúžky 10a. 10b prebiehajú kruhovo okolo stredovej osi C. Obr. 3b znázorňuje prvý krúžok 10a piestneho krúžku 10, prstencové teleso tvaru L alebo takmer tvaru L, s krúžkovou medzerou alebo tupým spojom lOe. Tento krúžok má dve ramená 10q, 10h, pričom prvé rameno 10h prebieha rovnobežne so smerom osi C a druhé rameno 10q prebieha radiálne smerom von alebo približne radiálne smerom von vzhľadom na os C. Šírka krúžkovej medzery 10e je taká, že prvý krúžok 10a je schopný určitého pružného pohybu v obvodovom smere.

Rez prvým krúžkom 10a pozdĺž čiary A - A je znázornený na obr. 2b. Prvý krúžok 10a, vyhotovený v tvare L, má prvé rameno 10h, prebiehajúce rovnobežne s osou C, ktoré má vonkajší povrch 10o, ako aj vnútorný povrch 10n. Druhé rameno 10q, prebiehajúce radiálne k osi C, má vonkajší povrch 10p, prebiehajúci kolmo na os C. Vnútorný povrch 101 je vyhotovený tak, aby prebiehal kužeľovo a zviera v radiálnom smere uhol a s normálou k osi C. V tomto uskutočnení je druhé rameno 10q vyhotovené takým spôsobom, aby vzhľadom na smer, určený osou C, bolo relatívne úzke pri prvom ramene 10h a rozširovalo sa v smere k obvodu, t.j. smerom k povrchu lOd. Prierez druhého krúžku 10b, ktorý je znázornený na obr. 2a, je tvarovaný v súlade s tvarom oboch vnútorných povrchov 101, 10n. Teleso 10i krúžku má štyri povrchy, povrch 10c, smerujúci k stene valca, povrch 10q, smerujúci ku komorovému krúžku 8, ako aj dva povrchy 10m, 10k, smerujúce k prvému krúžku IjOa. Oba posledne uvedené povrchy 10m, 10k sú vyhotovené tak, aby boli prispôsobené vzhľadom na prvý krúžok 10a takým spôsobom, že pri krúžkoch 10a, 10b, umiestnených jeden v druhom, povrchy 10m, 10k budú priliehať tvarovo lícujúcim spôsobom k obom vnútorným povrchom 101, 10η. Preto je povrch 10k taktiež urobený kužeľovo, aby prebiehal radiálne k osi C pod uhlom sklonu a.

Obr. 3a znázorňuje pôdorys druhého prstencového telesa 10b s krúžkovou medzerou alebo tupým spojom 10f, ktoré je v ďalšom označené ako druhý krúžok 10b. Prstencové teleso 10i má krúžkovú medzeru 10f na jednej strane a výstupok 10k, vyčnievajúci smerom k osi C, na opačnej strane ku krúžkovej medzere 10f. V zostavenom piestnom krúžku 10 je druhý krúžok 10b umiestnený nad prvým

-6krúžkom 10a, pričom si zachováva polohu, znázornenú na obr. 3a, 3b, takže výstupok 10k sa dostane do krúžkovej medzery 10e prvého krúžku 10a. Takýmto spôsobom je druhý krúžok 10b zabezpečený voči prvému krúžku 10a proti vzájomnému otáčaniu, pretože výstupok 10k a rameno 10h obmedzujú ich vzájomný pohyb. Výstupok 10k je s výhodou urobený v obvodovom smere užší, než je šírka krúžkovej medzery lOe, takže prvý krúžok 10a si zachová istú pohyblivosť v obvodovom smere krúžkovej medzery IQe.Obr. 7a a 7b znázorňujú ďalšie príkladné uskutočnenie vyhotovenia krúžkov jWa, 10b na vzájomné zabezpečenie proti pootočeniu. Valcový fixačný kolík 10r, ktorý prechádza vo vertikálnom smere, je usporiadaný na ramene 10q na strane prvého krúžku 10a, ležiac oproti krúžkovej medzere lOe. Pri zostavovaní piestneho krúžku 10 sa druhý krúžok 10b položí na prvý krúžok 10a, pričom sa zachová poloha, znázornená na obr. 7a, 7b, takže fixačný kolík 10r sa dostane do krúžkovej medzery 10f druhého krúžku 10b, čím sa druhý krúžok 10b zabezpečí vzhľadom na prvý krúžok 10a proti vzájomnému otočeniu. V zostavenom stave sa krúžky 10a, 10b môžu vložiť do drážky jednokusového piesta 2 súčasným odtiahnutím od seba oboch krúžkových častí, ktoré sú znázornené na obr. 4, alebo do zostaveného piesta 2 bez odtiahnutia od seba, ako je znázornené na obr. 5.

Jednu výhodu piestneho krúžku 10 podľa tohto vynálezu treba vidieť v skutočnosti, že podpovrchy 101, 10η, lOk, 10m oboch krúžkov 10a, 10b zostanú ležať na sebe tvarovo lícujúcim spôsobom po dlhú dobu, dokonca aj pri prevádzke piestneho krúžku 10. Oba krúžky 10a, 10b sú vyhotovené takým spôsobom, že priamemu účinku plynu 9 pod tlakom na podpovrchy 101, 10n, 10k, 10m je v maximálnej miere zabránené. Tlak plynu 9, pôsobiaci na krúžky 10a, 10b, normálne pôsobí v krúžkovej medzere 10f a vyvíja silu, pôsobiacu v obvodovom smere prvého krúžku 10b, ktorá by pre uhol a = 0 mohla viesť k zodvihnutiu prvého krúžku 10b z druhého krúžku 10a, takže tlak plynu by pôsobil priamo na podpovrchy 101, 10η, 10k, 10m. Takéto priame pôsobenie tlaku plynu na podpovrchy 10m, 10k druhého krúžku 10b by viedlo k pomerne rýchlemu opotrebeniu druhého krúžku 10b. Aby sme predišli tomuto javu, krúžok podľa tohto vynálezu je vyhotovený takým spôsobom, že sa zabráni zodvihnutiu druhého krúžku 10b z prvého krúžku 10a. Podľa obr. 4 je piestny krúžok 10 tlačený v

-7axiálnom smere proti komorovému krúžku 8 pôsobením plynu 9a a v radiálnom smere proti stene valca 1 pôsobením plynu 9b. Prvý krúžok 10a, vystavený tomuto tlaku, vyvíja zodpovedajúce sily na druhý krúžok 10b. V dôsledku kužeľového vyhotovenia podpovrchov 101, 10k sily, ktoré pôsobia v dôsledku tlaku plynu, spôsobujú zvýšené vzájomné zaklinovanie oboch krúžkov 10a, 10b, takže podpovrchy 10k, 101, 10n, 10m sú tlačené k sebe silnejšie. Priamemu pôsobeniu tlaku plynu na podpovrchy lOk, 101, 10n, 10m sa týmto zabráni, čo vedie k nízkemu opotrebeniu prvého krúžku 10b a k rovnomernému opotrebúvaniu oboch krúžkov 10a, 10b, najmä podpovrchov 10c, 10d, a teda k dlhej životnosti piestneho krúžka 10.

Existuje veľké množstvo možnosti konštrukcie podpovrchov 10k, 101, 10n, 10m takým spôsobom, aby dochádzalo k vzájomnému zaklinovaniu krúžkov 10a, 10b, priložených k sebe a zaťažených tlakom plynu, s výsledkom, že podpovrchy 10k, 101, 10n, 10m sú vo vzájomnom styku naviac tlačené k sebe. Obr. 6a, 6b znázorňujú rez prvým krúžkom 10a, ako aj krúžkom 10b ďalšieho príkladného uskutočnenia. Tu sú dva podpovrchy 10m, 10n vyhotovené tak, aby prebiehali valcovo, rovnobežne s osou C. Ďalšie podpovrchy 101, 10k sú vyhotovené tak, aby prebiehali v zakrivenom tvare takým spôsobom, že budú k sebe priliehať tvarovo lícujúcim spôsobom v zostavenom piestnom krúžku 10.

Vnútorný povrch 101, 10k má sklon v smere, prebiehajúcom radiálne k osi C, s uhlom medzi dotyčnicou k vnútornému povrchu 101, 10k a osou C okolo 90° v oblasti povrchu 10d, ktorý sa stáva stále ostrejším v smere ramena 10h, t.j. stáva sa uhlom, ktorý je menší než 90°.

Krúžky 10a, 10b sú vytvorené z plastu, konkrétne z plastu, ako je polytetrafluóretylén (PTFE), modifikovaného vysokoteplotného polyméru, ako je polyéteréter ketón (PEEK), polyéterketón (PEK), polyimid (PI), polyfenylénsulfid (PPS), polybenzimidazol (PBI), polyamidimid (PAI), alebo z modifikovanej epoxidovej živice. Vysokoteplotné polyméry sú plasty, ktoré nie sú schopné chodu nasucho v čistej forme, takže vyššie uvedené plasty sa obyčajne plnia prídavnými tuhými mastivami, ako je napr. uhlík, grafit, disulfid molybdénu alebo PTFE.

Claims (7)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Piestny krúžok (10) piestového kompresora s chodom nasucho, vy- zná č u j ú c i sa t ý m, že pozostáva z prvého a druhého prstencového telesa (10a, 10b) s krúžkovými medzerami (10e, 10f), pričom uvedené krúžky (10a, 10b) sú usporiadané navzájom sústredne vzhľadom na os (C), prvý krúžok (10a) má v podstate prierez tvaru L, s prvým ramenom (1 Oh), rozprestierajúcim sa v smere osi C, a s druhým ramenom (10g), rozprestierajúcim sa smerom von radiálne k osi C, prvé rameno (10h) má vnútorný povrch (10n) a druhé rameno (10g) má vnútorný povrch (101), pričom vnútorný povrch (101) druhého ramena (10g) je sklonený v radiálnom smere a povrchy (10m, 10k) druhého krúžku (10b), ktoré smerujú k prvému krúžku (10a), sú v styku s vnútornými povrchmi (10n, 101) prvého krúžku (10a) tvarovo lícujúcim spôsobom, a vnútorný povrch (101) prvého krúžku (10a) prebieha v radiálnom smere, pričom zviera ostrý uhol, t.j. uhol menší než 90°, s osou (C), a krúžky (10a, 10b) pozostávajú z materiálu zo skupiny:

   polytetrafluóretylén (PTFE), modifikovaný vysokoteplotný polymér, ako je polyéteréterketón (PEEK), polyéterketón (PEK), polyimid (PI), polyfenylénsulfid (PPS), polybenzimidazol (PBI), polyamidimid (PAI) alebo modifikovaná epoxidová živica, s možnosťou, že tieto materiály obsahujú prídavné tuhé mastivá, ako je napr. uhlík, grafit, disulfid molybdénu alebo PTFE.
2. 2. Piestny krúžok, vyznačujúci sa tým, že pozostáva z prvého a druhého prstencového telesa (10a, 10b) s krúžkovými medzerami (10e, 10f), pričom každý z uvedených krúžkov (10a, 10b) má najmenej dva navzájom sa dotýkajúce podpovrchy (101, 10k; 10m, 10n), ktoré sú usporiadané navzájom sústredne vzhľadom na os (C), pričom dotýkajúce sa podpovrchy (101, 10k; 10m, 10n) sú usporiadané navzájom tvarovo lícujúco a podpovrchy (101, 10k; 10m, 10n) každého z krúžkov (10a, 10b) sa stretávajú pod ostrým uhlom, aby spôsobili zvýšenú vzájomnú súdržnosť krúžkov (10a, 10b) pri dotýkajúcich sa podpovrchoch (101, 10k; 10m, 10n) plynným prostredím v styku s piestnym krúžkom pod tlakom v priebehu prevádzkového stavu, a piestny krúžok (10) je skonštruovaný z plastu.
3. 3. Piestny krúžok podľa nároku 1 alebo 2, vyznačujúci sa tým, že vnútorný povrch (101) prvého krúžku (10a) je vyhotovený ako kužeľovo prebiehajúci povrch.
4. 4. Piestny krúžok podľa nároku 1 alebo 2, vyznačujúci sa tým, že vnútorný povrch (101) prvého krúžku (10a) je vyhotovený ako povrch, prebiehajúci zakrivené v radiálnom smere.
5. 5. Piestny krúžok podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 4,vyznačujúci sa t ý m, že druhý krúžok (10b) má časť (10k), vyčnievajúcu v radiálnom smere k osi (C), ktorá zaberá s krúžkovou medzerou (10e) prvého krúžku (10a), aby sa zabránilo vzájomnému otáčaniu oboch krúžkov (10a, 10b).
6. 6. Piestny krúžok podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1až5, vyznačujúci sa t ý m, že prvý krúžok (10a) piestneho krúžku (10) je usporiadaný v pieste (2) v smere k tlakovej strane.
7. 7. Piestový kompresor s chodom nasucho s piestnym krúžkom podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 6.