Trockenlauf-Hochdruckstufe eines mehrstufigen Kolbenverdichters

Abstract

 Die Erfindung bezieht sich auf die Trockenlauf-Hochdruckstufe eines mehrstufigen Kolbenverdichters mit einem als Stößel (2) ausgebildeten Kolben, der im Hochdruckzylinder (1) geführt ist und mittels selbstschmierender Dichtungselemente (3), die mit der Lauffläche einen Ringspalt bilden, und mittels selbstschmierender Dichtungselemente gegen den Kompressions­raum des Zylinders (1) abgedichtet ist, wobei die Lauffläche aus für den Trockenlauf geeignetem Material gebildet ist. Nach der Erfindung sind die Dichtungselemente, deren Höhe mindestens ihrem Durchmesser entspricht, als im Zylinder (1) auf dem freien Ende des Stößels (2) lose aufeinandergelegt mindestens zwei zylindrische Dichtelemente (3) ausgebildet und mindestens in Teilbereichen mit Laufflächenführungen (3′) versehen und stirnseitige Anfasungen (6) aufweisen.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft die Trockenlauf-Hochdruckstufe eines mehrstufigen Kolbenverdichters gemäß Oberbegriff des Haupt­anspruches.

[0002] Hochdruckstufen von mehrstufigen Kolbenverdichtern sind bspw. nach der GB-A-1 487 311 bekannt. Bei diesem bekannten Hoch­druckkolbenverdichter ist es nicht mehr notwendig, zwischen dem Kolben und der Zylinderlauffläche der Hochdruckstufe zwecks Abdichtung und Schmierung einen Ölfilm aufrechtzuer­halten, d.h., permanent mit Öl zu schmieren, da hierbei für die Lauffläche Graphit verwendet wird und für die eigentlichen Dichtelemente selbstschmierender und für diesen Fall ge­eigneten Kunststoff. An der bisher bekannten und üblichen Aus­bildung des Kolbens in der Hochdrucksttufe hat sich dabei al­lerdings nichts geändert, d.h., um eine ausreichende Dich­tigkeit zwischen kolben und Zylinderlauffläche zu erreichen, müssen eine Vielzahl von Kolbenringen in entsprechende Ring­nuten am Kolben vorgesehen werden. Abgesehen vom diesbezügli­chen Fertigungsaufwand müssen natürlich die in Ringnuten des Kolbens sitzenden Kolbenringe in bezug auf diese ein gewisses Spiel haben, wobei noch dafür gesorgt werden muß, dar die Kol­benringe auch ständig an der Zylinderlauffläche anliegen. Dies ist also unvermeidbar mit Leckverlusten, Leckagen, Verschleiß und zusätzlich aus dem Verschleiß resultierenden Leckverlusten verbunden.

[0003] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für die trockenlau­fende Hochdruckstufe eines mehrstufigen Kolbenverdichters bei einfachster Bauweise eine Kolbendichtung zu schaffen, die bei geringem Verschleiß eine möglichst geringe Leckrate und eine lange Lebensdauer aufweist.

[0004] Diese Aufgabe ist mit einer Hochdruckstufe eines Kolbenver­dichters der gattungsgemäßen Art nach der Erfindung durch die im Kennzeichen des Hauptanspruches angeführten Merkmale ge­löst. Vorteilhafte und praktische Ausführungsformen ergeben sich nach den Unteransprüchen.

[0005] Diese erfindungsgemäße Lösung geht also ebenfalls aus von ei­ner besonderen Werkstoffauswahl für Zylinder und von selbst­schmierenden Dichtungselementen, ist aber entscheidend auf die besondere Ausführung und Anordnung der Dichtelemente gestützt, die einfach aus mindestens zwei lose auf das im Zylinder be­findliche Ende des Stößels aufgelegt sind. Für diese Elemente ist es wesentlich, daß diese vom Material her ein relativ ge­ringes spezifisches Gewicht haben und die beiden aufeinander­liegenden Dichtelemente bei ansonsten dichter gegenseitiger Anlage eine umlaufende Nut bilden, wobei die Nut den Zugang zum Spalt zwischen den flichtelementen bildet. Das relativ ge­ringe spezifische Gewicht des Materials gewährleistet, daß die Dichtelemente bei entsprechender Arbeitshubbeschleunigung nicht nach oben in den Zylinderkopfraum herausfliegen und vom bereits unter Druck befindlichen und weiter zu komprimierenden Medium zurückgehalten werden. Der mit einer solchen Dichtele­ment ausbildung und -anordnung sich überraschend ergebende hohe Abdichtungseffekt ist an sich schwer erklärbar, und es kann nur vermutet werden, daß die lose Anordnung der mindestens zwei Dichtelemente auf dem Stößel und zueinander während der translatorischen Bewegung zu einer Art Labyrinth führt, in dem­sich das weiter zu komprimierende Medium in diesem Bereich bis zu einem gewissen Grade entspannen kann und dadurch nicht zur Antriebsseite am Stößel vorbei durchschlägt. Das dabei vorzu­gebende Spiel zwischen den Dichtelementen und der Kolbenlauf­fläche ist dabei so zu bemessen, daß eine Parallelführung der Dichtelemente im Zylinder gewährleistet ist, d.h., dieses Spiel muß so minimal wie möglich bemessen werden, da sonst während der Bewegung der Dichtelemente Verkantungen auftreten können, die zu einer Zerstörung der Dichtelemente führen wür­den. In der praktischen Ausführungsform beträgt die vorzuge­bende Toleranz maximal 1 bis 0,5 Hundertstel mm. Um eine sol­che Ausbildung bei ölfreiem Betrieb in der Hochdruckstufe überhaupt in Betracht ziehen zu können, ist es notwendig, be­züglich der Dichtelemente und der Zylinderwand eine besondere Materialauswahl zu treffen, die in der tatsächlichen Ausfüh­rung darin besteht, daß das Material der Dichtelemente zunächst einmal auf einen kleineren Wärmeausdehnungskoeffizi­enten eingestellt ist als das Material der Zylinderlauffläche, und zwar bevorzugt dahingehend, daß der Wärmeaus­dehnungskoeffizient der Dichtelemente 20 bis 25 % niedriger eingestellt ist als der der Zylinderlauffläche. Die Dichtele­mente sind dabei im Ganzen oder in einer laufflächenseitigen Beschichtung aus modifiziertem Kunststoff oder aus geeigneter Keramik gebildet und die Lauffläche des Zylinders bzw. die darin eingesetzte Laufflächenbuchse aus Siliziumkarbid oder ebenfalls aus geeignetem Keramikmaterial. Die Auswahl geeigne­ter Materialien stellt aber insoweit kein Problem dar, als solche oder ähnliche geeignete Materialien für den Pumpen- und Verdichterbau bspw. nach der AT-A-276 956, der DE-A-2 138 845, der CH-PS 359 825 und DE-A-3 607 497 schon früher in Betracht gezogen worden sind. Je nach in Betracht zu ziehenden End­drücken und je nach Anzahl der im Zylinder angeordneten Dicht­elemente kann es ürigens zweckmäßig sein, die Dichtelemente in ihrer Umfangsfläche mit mindestens einer umlaufenden Nut zu versehen, die vorzugsweise im Querschnitt V-förmig und zumin­dest im Nutbodenbereich mit stetig verlaufenden Konturen aus-­gestaltet ist, um so wenig wie möglich Voraussetzungen für einen Bruch der Dichtelemente in diesem Bereich zu sorgen.

[0006] In Rücksicht darauf, daß es trotz vorgeschalteter Ölabscheider bzw. Filter zu einem, wenn auch geringem Öleintrag aus den Vorstufen kommen kann, hat es sich als zweckmäßig erwiesen, die aneinanderliegenden Stirnflächen der Dichtelemente ganz schwach ballig auszubilden, wobei in Rücksicht auf die Bela­stungsverhältnisse zweckmäßig die balligen Stirnflächen im Zentrumsbereich ebenflächig ausgebildet sind, um punktförmige bzw. kleinflächige Belastungsbereiche zwischen den Elementen bzw. zwischen dem untersten Dichtelement und der Stößelaufla­gefläche zu vermeiden. Durch die schwache Balligkeit werden einmal die labyrinthartigen Entspannungsräume zwischen den Elementen vergrößert und zum anderen ist damit Raum für spu­renartige Verkokungsansätze des eingetragenen Öls geschaffen, die sich dann aber aufgrund der gewissermaßen pulsierenden Be­wegungen der Dichtelemente leicht lösen, als feste Spurenpartikel ausgetragen und im nachgeschalteten Filter leicht abgefangen werden können.

[0007] Die erfindungsgemäße Hochdruckstufe eines Kolbenverdichters wird nachfolgend anhand der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

[0008] Es zeigt schematisch

Fig. 1 im Schnitt und im Prinzip einen dreistufig arbei­tenden Hochdruckkolbenverdichter herkömmlicher Bauart;

Fig. 2 einen Schnitt durch die Hochdruckstufe mit dem Stößelantrieb;

Fig. 3 einen Schnitt durch den Zylinder der Hochdruck­stufe mit Stößel und den auf diesem angeordneten Dichtelementen;

Fig. 4 in Seitenansicht und stark vergrößert zwei auf­einandersitzende Dichtelement;

Fig. 5 in Seitenansicht einen Teilabschnitt des Dicht­elementes in besonderer Ausführungsform und

Fig. 6 weitere besondere Ausführungsformen der Dicht­elemente ebenfalls stark vergrößert.

[0009] Wie aus den Fig. 1, 2 ersichtlich, besteht der Hoch­druckkolbenverdichter aus mehreren vom gleichen Antrieb 8 aus bewegbaren, mit Zu- und Abströmventilen (nicht dargestellt) versehenen Zylindern geführten Kolben, wobei der Kolben in der Hochdruckstufe I den kleinsten Durchmesser aufweist und als Stößel 2 im Hubraum des Hochdruckzylinders 1 geführt ist.

[0010] Wie in Fig. 3 verdeutlicht, sind dabei im Zylinder 1 auf dem Stößel 2 lose aufeinandergelegt drei zylindrische Dichtele­mente 3 angeordnet, die an ihren Umfangsrandbereichen 4 ihrer aufeinanderliegenden Flächen 5 mit Anfasungen 6 (siehe insbe­sondere Fig. 5) versehen sind. Diese Dichtelemente 3 weisen in bezug auf die Zylinderlauffläche ein ihrer Parallelführung im Zylinder 1 gewährleistendes Spiel auf, das lediglich 0,002 bis 0,005 mm beträgt. Da die Dichtelemente 3 bis auf die An­fasungen 6 zylindrisch sind, bilden die ganzen Umfangsflächen in diesem Fall die Laufflächenführungen 3′ dieser Elemente. Der sich zwischen den Dichelementen 3 und der Lauffläche 1′ des Zylinders 1 befindliche Spalt 9 ist also im Anlagebereich 10 der Dichtelemente zueinander durch die Anfasungen 6 erwei­tert und weist dort größere Querschnitte auf.

[0011] Die Dichtelemente 3 und der Zylinder 1 bzw. die Zylinderlauf­buchse 1˝ sind dabei mindestens in ihren Laufflächen (d.h. in Form von Beschichtungen) aus Werkstoffen bspw. auf Basis mo­difizierter Kohlenstoffe, Keramik und/oder Siliziumkarbid ge­bildet und zwar dahingehend, daß die Dichtelemente 3 im Ganzen oder in einer laufflächenseitigen Beschichtung aus modi­fiziertem Kohlenstoff oder aus Keramik bestehen und die Lauf­fläche 1′ des Zylinders 1 aus Siliziumkarbid oder ebenfalls aus geeignetem Keramikmaterial. Eine derartige Materialauswahl gewährleistet trotz des geringen Spiels, bei ölfreiem Betrieb und optimaler Abdichtung einen einwandfreien Betrieb der gan­zen Hochdruckstufe, ohne daß, wie Langzeitversuche über hun­derte von Stunden gezeigt haben, ein "Fressen" an den betei­ligten Elementen zu beobachten war. Da sich derartige Materia­lien durch entsprechende Zusammensetzung auch ohne weiteres bezüglich ihrer Ausdehnungskoeffizienten einstellen lassen, ist die Auswahl derartiger Elemente derart getroffen, daß die Dichtelemente 3 einen 20 bis 25 niedriger eingestellten Wär­meausdehnungskoeffizienten haben als das Material der Zylin­derlauffläche. Ungeachtet der sich beim Betrieb aufgrund der Temperaturbelastung einstellenden größeren Ausdehnung der Zy­linderlauffläche bleibt dabei der vorbeschriebene Dichtungsef­fekt voll erhalten.

[0012] In Fig. 4 sind zwei Dichtelemente 3 stark vergrößert darge­stellt. Wie daraus ersichtlich, ist jedes Dichtelement an bei­den Stirnflächen 5 und zwar an seinen Umfangsrandbereichen 4 mit Anfasungen 6 versehen, wodurch sich, wie aus Fig. 3 er­sichtlich, im Querschnitt V-förmige und umlaufende Nuten er­geben, zwischen denen sich aber jeweils der Anlagespalt 7′ zwischen zwei Elementen ergibt, d.h., der Anlagespalt 7′ er­streckt sich gewissermaßen membranartig in der von einer um­laufenden Nut nach außen begrenzten Fläche. Wie vorerwähnt, kann jedes Dichtelement zusätzlich in halber Höhe mit einer umlaufenden Nut 7 versehen werden, die zweckmäßig, wie in der Einleitung erwähnt, konturiert ist. Die mögliche und ggf. vor­zusehende ballige Ausbildung der Stirnflächen ist in Fig. 4 oben gestrichelt angedeutet, wobei die äußerst schwache Bal­ligkeit vorteilhaft den Zentrumsbereich 5˝ nicht erfaßt, um dort punktförmige bzw. kleinflächige Belastungsbereiche zu vermeiden, d.h.sind die, wie aus Fig. 5 ersichtlich, sind die Stirnflächen 5 dort ebenflächig ausgebildet. Gemäß Fig. 6 kön­nen die Dichtelemente 3 zwischen ihren Laufflächenführungen 3′ auch mit einer konkav (oben) oder konvex (unten) verlaufenden Umfangsfläche 3˝ bzw. 3‴ versehen sein, wobei es ferner mög­lich ist, die Umfangsfläche eines Elementes 3 in Teilbereichen abwechselnd konkav und konvex, d.h. wellenförmig zu gestalten. Die diesbezüglichen Abweichungen von einer zylindrischen Flä­che, d.h., Tiefe der Konkavität bzw. Höhe der Konvexität, lie­gen dabei aber nur in der Größenordnung von ca. 0,05 mm.

Ausführungsbeispiel

[0013] Ein im Dauertest erprobter dreistufiger HD-Verdichter verfügte über folgende Betriebsdaten in der Hochdruckstufe (330 bar) :
Medium: Luft
Einlaßdruck: 60 bar
Auslaßdruck: 300 bar
Hub: 40 mm, v = 2 m/s
Drehzahl: 1200 min-1
Lebensdauer: L h min = 1000 Std. bei einem Liefermengenabfall von max. 6 %
Interne Temperatur: ca. 210° C bei 300 bar

[0014] Material der Bauteile der Laufgarnitur:
-Laufbuchse aus SiSiC-SH 5311 oder SiSiC-SK 6314 (SIGRI)
-Stößel aus Stahl, gehärtet - Dichtelemente aus modifiziertem Kohlenstoff EK 3115 bzw. EK 3105 (Ringsdorff-Qualität).

[0015] Ausführung der Dichtelemente: 3 Stck., D 12 MM, H 13,3 mm, zylindrisch mit Anfasungen 6 gemäß Fig. 3, 5.
Breite der Anfasung: 0,7 mm
Neigung der Anfasung: 30°

Ansprüche

1. Trockenlauf-Hochdruckstufe eines mehrstufigen Kolbenver­dichters mit einem als Stößel (2) ausgebildeten Kolben, der im Hochdruckzylinder (1) geführt ist und mittels selbstschmierender Dichtungselemente (3), die mit der Lauffläche einen Ringspalt bilden, gegen den Kompressions­raum des Zylinders (1) abgedichtet ist, wobei die Laufflä­che aus für den Trockenlauf geeignetem Material gebildet ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Dichtungselemente, deren Höhe mindestens ihrem Durchmesser entspricht, als im Zylinder (1) auf dem freien Ende des Stößels (2) lose aufeinandergelegt mindestens zwei zylindrische Dichtelemente (3) ausgebildet und minde­stens in Teilbereichen mit Laufflächenführungen (3′) ver­sehen sind und die Dichtelemente stirnseitige Anfasungen (6) aufweisen.

2. Trockenlauf-Hochdruckstufe nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Dichtelemente (3) in ihrer Umfangsfläche mit min­destens einer umlaufenden Nut (7) versehen sind.

3. Trockenlauf-Hochdruckstufe nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Anfasungen (6) der Dichtelemente (3) Teilbereiche ballig ausgebildeter Stirnflächen (5′) der Dichtelemente bilden.

4. Trockenlauf-Hochdruckstufe nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die balligen Stirnflächen (5′) im Zentrumsbereich (5˝) ebenflächig ausgebildet sind.

5. Trockenlauf-Hochdruckstufe nach Ansruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens eines der Dichtelemente (3) mindestens in Teilbereichen neben seiner Laufflächenführung (3′) mit ei­ner konkav verlaufenden Umfangsfläche (3˝. 3‴) versehen ist.

6. Trockenlauf-Hochdruckstufe nach Ansrpuch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Umfangsfläche konvexe Teilbereiche aufweist.

7. Trockenlauf-Hochdruckstufe nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet,
daß die Umfangsfläche sich aneinander anschließende kon­vexe und konkave Teilbereiche aufweist.

Zeichnung