DE4209550C2 - Zylinder-Kolben-Anordnung für Hubkolben-Kraftmaschinen und Hubkolben-Arbeitsmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Zylinder-Kolben-Anordnung für Hubkolben-Kraftmaschinen und Hubkolben-Arbeitsmaschinen, bei der die Kolbenringe als Winkelprofilringe mit einem im einwärtigen Bereich gebildeten Kragen trapezförmigen Querschnitts ausgebildet und jeweils derart in eine Aufnahmenut mit im einwärtigen Bereich L-förmig axial erweiterten Profil am Kolben eingesetzt sind, daß die an der radial nach außen gerichteten Seite gebildete konische Ringfläche des Kragens einer entsprechend konischen Ringfläche im L-Profil der Aufnahmenut gegenüberliegt, wobei ein druckseitig vom Verdichtungsraum am Winkelprofil-Kolbenring radial vorbeiführender Druckmittel-Durchlaß zum Boden der Aufnahmenut vorgesehen ist.

Eine aus DE 31 48 488 A1 bekannte Zylinder-Kolben-Anordnung dieser Art ist dazu ausgebildet, daß die Winkelprofil-Kolbenringe auf der Zylinderinnenfläche gleiten, wozu die Zylinderinnenfläche entsprechend glatt und reibungsarm ausgebildet sein muß. Erst nach langer Betriebsdauer der jeweiligen Maschine kann diese bekannte Zylinder-Kolben-Anordnung unter entsprechender Verminderung des Wirkungsgrades auch noch weiterhin im Einsatz bleiben, selbst wenn sich zwischen den Winkelprofil-Kolbenringen und der Innenfläche des Zylinders durch Abrieb ein Labyrinthspalt gebildet hat. Trotz dieser Vorzüge ist aber diese bekannte Zylinder-Kolben-Anordnung für manche Anwendungsfälle nicht einsetzbar, insbesondere dann nicht, wenn gegen Temperaturerhöhungen empfindliche Medien, beispielsweise Gase zu fördern, bzw. zu verdichten sind, die bei auftretenden Temperaturspitzen zum Zerfall oder zur Polymerisation neigen.

Es sind andererseits Gasverdichter in verschiedensten Ausführungen bekannt, die mit Labyrinthspaltkolben in fliegender oder in im Zylinderdeckel geführter Ausführung des Kolbens ausgerüstet sind. Bei diesen bekannten Zylinder-Kolben- Anordnungen ist die Labyrinthabdichtung als metallischer Mantel ausgebildet, der entweder zwischen den Kolbenhälften eingespannt ist oder mit dem Kolben durch Umgießen, Auflöten oder Aufspritzen verbunden ist. Da die Möglichkeit nie ganz ausgeschlossen werden kann, daß der Kolben im Betrieb an die Zylinderwand anläuft, besteht bei derart starren Ausführungen naturgemäß erhöhte Gefahr einer partiellen Temperaturerhöhung durch ungeschmierte metallische Reibung.

Eine solche Trockenlauf-Kolbenmaschine ist aus der DE-OS 19 29 630 bekannt, deren Kolben mit gefangenen Kolbenringen ausgestattet sind. Im Zylinderdeckel ist die Kolbenstange in einer Buchse gelagert. Die Kolbenringe, die L- oder T- förmig ausgebildet sind, werden in Ringnuten geführt und während des Einlaufens durch hinterlegte Federn gegen die Zylinderlauffläche gedrückt. Nach dem erfolgten Einlauf kommen die Ringschultern der Kolbenringe zur Anlage an die in den Übergangsbereichen der Ringnutteile vorhandenen Ringbunde, so daß eine weitere Bewegung derselben in Richtung auf die Zylinderlauffläche ausgeschlossen ist.

Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung bei Zylinder-Kolben-Anordnungen der angeführten Art, die reibungsfreie, berührungslose Labyrinthspalt-Abdichtung am Kolben derart zu verbessern, daß auch zeitweilige ungedämpfte metallische Reibung mit Sicherheit vermieden wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Kolben mit einer Führungseinrichtung (4) zur axialen Führung im Zylinderdeckel (15) gelagert ist, die einen Führungskolben mit Führungsringen (31) enthält, die auf einem leicht auswechselbar mit der Kolbenstange (13, 31) verbundenen Ringträger (32) angebracht sind, daß die Winkelprofil-Kolbenringe (16) an ihrer der Zylinderinnenfläche (17) zugewandten Ringfläche (26) mit umfänglichen Labyrinthrillen (18) versehen sind und daß der Kolben dadurch zu einem mit rauher Zylinderinnenfläche (17) zusammenwirkenden Labyrinthspalt-Kolben ausgebildet ist, daß die Winkelprofil-Kolbenringe (16) und ihre jeweiligen L- Profil-Aufnahmenuten (21) derart aufeinander abgestimmt sind, daß im Neuzustand die Umfangsflächen (26) der Winkelprofil-Kolbenringe (16) bei aufeinandersitzenden, konischen Ringflächen (20, 23) in Anlage mit der Zylinderinnenfläche (17) sind und bereits beim ersten Einlaufbetrieb die Winkelprofil-Kolbenringe (16) an der Umfangsfläche (26) unter Bildung eines Labyrinthspaltes (27) abgeschliffen werden, der durch festen Sitz der konischen Ringflächen (20, 23) am Kragen (19) der Winkelprofil-Kolbenringe (16) und dem L-Profil der Aufnahmenuten (21) eingestellt und danach stabil gehalten sind.

Durch die Bildung des Labyrinthspaltes durch Abschleifen der Winkelprofil-Kolbenringe an der relativ rauh gehaltenen Zylinderinnenfläche wird eine sehr genaue Anpassung von Zylinderinnenfläche und Umfangsfläche der Winkelprofil-Kolbenringe erreicht. Dieser Zustand der genauen Abstimmung wird erfindungsgemäß durch das Abschleifen der Winkelprofil-Kolbenringe an der relativ rauhen Innenfläche des Zylinders sehr schnell erreicht und entsprechend ein Minimalspalt erzeugt. Sollte dann im Betrieb trotzdem noch ein Anlaufen des Kolbens an der Zylinderwand möglich sein bzw. vorkommen, wird eine schädliche und nennenswerte Temperaturspitzen hervorrufende Reibung vermieden, weil die mit der Zylinderinnenfläche in Berührung kommenden Winkelprofil-Kolbenringe gedämpft nachgeben, d. h. entsprechend in ihre L-Profil-Aufnahmenuten zurücktreten. Durch das Zusammenwirken mit der Führung des Kolbens im Zylinderdeckel werden solche Anlauferscheinungen erheblich vermindert und vor allem auf nur kurze Zeit bei in der Maschine bzw. dem geförderten Medium auftretenden Stößen beschränkt. Durch das Zusammenwirken der im Zylinderdeckel angeordneten Einrichtung zur axialen Führung des Kolbens mit der gedämpften Nachgiebigkeit der Winkelprofil-Kolbenringe werden schädliche Schwingungen des Kolbens weitgehend vermieden und abgedämpft, so daß eine ungedämpfte metallische Reibung mit der für den Betrieb erforderlichen Sicherheit vermieden wird.

Dadurch, daß die Winkelprofil-Kolbenringe an ihrer der Zylinderinnenfläche zugewandten Umfangsfläche mit umfänglichen Labyrinthrillen versehen sind, wird nicht allein die Wirkung der Labyrinthdichtung erhöht, sondern auch die schnelle Anpassung der Winkelprofil-Kolbenringe an die Zylinderinnenfläche erleichtert, so daß das Einlaufen und Anpassen schon während des mechanischen Werkprobelaufs endet. Bevorzugt wird man an der der Zylinderinnenfläche zugewandten Ringfläche der Winkelprofil-Kolbenringe mindestens zwei parallele umfängliche Labyrinthrillen vorsehen.

In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung tragen die Winkelprofil-Kolbenringe an ihrer dem Boden der Aufnahmenut zugewandten, inneren Umfangsfläche eine in eine dort angebrachte Nut eingesetzte, radial auswärts wirkende Spannfeder. Diese Spannfeder wirkt mit dem über den Durchlaß zum Boden der Aufnahmenut geführten Druckmedium dahingehend, daß der Winkelprofil-Kolbenring mit seiner konischen Ringfläche am Kragen einerseits fest auf die konische Ringfläche im L-Profil der Aufnahmenute sitzt, aber bei Berührung mit der Zylinderinnenfläche sofort federnd nachgiebig in die Aufnahmenut zurücktritt. Wenn der Winkelprofil-Kolbenring mit einem axial überlappenden Ringstoß ausgebildet ist, empfiehlt es sich, die Spannfeder als diesen Ringstoß abstützend übergreifenden Federring auszubilden.

Die im Zylinderdeckel angeordnete Führungseinrichtung des Kolbens enthält einen Führungskolben mit Führungsringen, die auf einem leicht auswechselbar mit der Kolbenstange verbundenen Ringträger angebracht sind. Alle bisher verwendeten Systeme mit einer oder zusätzlicher oberer Führung des Kolbens im Zylinderdeckel sind so gestaltet, daß die um das Führungsende verlängerte Kolbenstange in einer im Zylinderdeckel angeordneten Buchse läuft. Bei Trockenlaufkompressoren werden diese Führungselemente aus einem selbstschmierenden Material hergestellt, das eine sehr schlechte Wärmeleitfähigkeit aufweist. Infolgedessen kann die Reibungswärme zwischen Stangenende und Buchse nur ungenügend zur gekühlten Wand im Zylinderdeckel abfließen. Außerdem wird durch eine Ausgleichsbohrung in der Kolbenstange das vom Stangenende verdrängte Gas durch die Reibungswärme ständig aufgeheizt. Die höhere Temperatur des bei den bekannten Systemen zur Führung der Kolbenstange benutzten Lagers bedingt ein von Anfang an größeres Spiel zwischen Stange und Buchse, was für Kolben mit Kontaktringen ausreicht, nicht aber für die berührungsfreie Kolbenabdichtung. Durch den erfindungsgemäß vorgesehenen Einsatz eines Führungskolbens mit Führungsringen auf einen Ringträger werden diese Reibungsschwierigkeiten und die Erzeugung erhöhter Temperatur im Lagerungsbereich im wesentlichen behoben.

Die Führungsringe können im Rahmen der Erfindung zweiteilig mit über die Mitte hinaus verlaufendem schrägem Schnitt ausgebildet und leicht haftend auf dem Ringträger angebracht sein. Es werden auf diese Weise besonders günstige Bedingungen für Kontrolle, Wartung und eventuellen Austausch von Teilen der Führungseinrichtung geschaffen.

Günstige Abfuhr von in der Führungseinrichtung entstehender Reibungswärme läßt sich im Rahmen der Erfindung dadurch erreichen, daß im Zylinderdeckel eine gekühlte Führungsbuchse für den Führungskolben auswechselbar angebracht ist. Die Führungsringe können dabei aus selbstschmierendem Trocken-Gleitwerkstoff gebildet sein, während die Führungsbuchse aus Werkstoff mit hoher Wärmeleitfähigkeit gebildet sein kann.

Anstelle der Führung eines Gasausgleichkanals durch die Kolbenstange kann im Rahmen der Erfindung ein Gasausgleichkanal vom Ende der Führungseinrichtung durch einen gekühlten Teil des Zylinderdeckels zum Verdichtungsraum geführt sein. Hierdurch wird das in der Führungseinrichtung verdichtete und erwärmte Gas vor der Rückführung zum Verdichtungsraum gekühlt. Es kann daher der Gasausgleichkanal an einer Stelle in den Verdichtungsraum münden, an der die niedrigste Temperatur zu erwarten ist.

Die erfindungsgemäße Zylinder-Kolbenanordnung bietet weiterhin den bedeutenden Vorteil, daß Zylinder/Kurbelgehäuse-Zwischenstücke in Einraum- oder Zweiraum-Anordnung vorgesehen werden können, was bei toxischen und explosiven Medien wegen der besseren Abdichtung zur Sicherheit und Umweltentlastung sehr wichtig ist. Die in diesem Zusammenhang stehenden Forderungen konnten mit dem bisher verwendeten Führungssystem für Labyrinthkolben nicht erfüllt werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Zylinder-Kolben-Anordnung axial geschnitten;

Fig. 2a, b das Arbeitsschema eines erfindungsgemäßen, abgedichteten Labyrinthringes in Verbindung mit seiner L-Profil-Aufnahmenut;

Fig. 3 eine Teildarstellung des Kolbens gemäß Fig. 1 in Ringbestückung im Neuzustand (noch nicht eingelaufen);

Fig. 4 eine erfindungsgemäß im Zylinderdeckel angebrachte Führungseinrichtung als Teildarstellung aus Fig. 1 und

Fig. 5 schematisch einen zweiteiligen Führungsring in perspektivischer Darstellung.

Bei dem in der Zeichnung dargestellten Beispiel handelt es sich um die Zylinder-Kolben-Anordnung eines Kompressors, der insbesondere für toxische und explosive Medien einsetzbar ist.

Wie Fig. 1 zeigt, weist diese Zylinder-Kolben-Anordnung einen senkrecht angeordneten Zylinder 11 mit einem darin auf und ab bewegten Kolben 12 auf. Der Kolben 12 ist auf einer Kolbenstange 13 angebracht, die sich über den Kolben hinaus nach oben in eine Führungseinrichtung 14 erstreckt, die im gekühlten Zylinderdeckel 15 angebracht ist.

Der Kolben 12 weist im dargestellten Beispiel sieben Winkelprofil-Kolbenringe 16 auf, die an ihrer der relativ rauhen Innenfläche des Zylinders 11 zugewandten ringförmigen Umfangsfläche mit Labyrinthrillen 18 versehen sind. Wie in der Fig. 2a, b deutlicher erkennbar ist, sind die Winkelprofil-Kolbenringe 16 mit einem ringförmigen Kragen 19 ausgebildet, der einen trapezförmigen Querschnitt hat und eine radial nach außen gerichtete konische Ringfläche 20 bildet. Der Winkelprofil-Kolbenring 16 ist in eine L-Profil-Aufnahmenut 21 eingesetzt, die jeweils durch einen auf dem Körper des Kolbens 12 aufgesetzten Kammerring 22 gebildet ist (vgl. Fig. 1). Gegenüberliegend zur konischen Ringfläche 20 des Winkelprofil-Kolbenringes 16 ist in der L-Profil-Aufnahmenut 21 eine konische Ringfläche 23 gebildet, auf die sich die konische Ringfläche 20 des Winkelprofil-Kolbenringes 16 setzt.

An seiner dem Boden der L-Profil-Aufnahmenut gegenüberliegenden inneren Umfangsfläche trägt der Winkelprofil-Kolbenring 16 eine in eine dort angebrachte Ringnut 24 eingelegte ringförmige Spannfeder 25, die den Winkelprofil-Kolbenring 16 auswärts, bis zur Anlage seiner konischen Ringfläche 20 an die entsprechende konische Ringfläche 23 der L-Profil-Aufnahmenut 21 drückt. Falls der Winkelprofil-Kolbenring 16 mit einem in axialer Richtung überlappenden Stoß ausgebildet ist, greift die Spannfeder 25 über diesen Stoß, um diesen abzustützen. Außerdem ist druckseitig des Winkelprofil-Kolbenringes 16 ein (nicht dargestellter) Druckmittel-Durchlaß zum Boden der L-Profil-Nut 21 vorgesehen, wie dies aus DE 31 48 488 A1 bekannt ist.

Im dargestellten Beispiel weist der Winkelprofil-Kolbenring 16 an seiner der Zylinderinnenfläche 17 zugewandten ringförmigen Umfangsfläche 26 zwei parallel angeordnete, sich ringsum erstreckende Labyrinthrillen 18 auf.

Die Abstimmung des Winkelprofil-Kolbenringes 16 und seiner L-Profil-Aufnahmenut 21 ist derart getroffen, daß im Neuzustand die Umfangsfläche 26 des Winkelprofil-Kolbenringes 16 bei aufeinandersitzenden, konischen Ringflächen 20 und 23 in Anlage mit der relativ rauhen Zylinderinnenfläche 17 ist (Fig. 2a und Fig. 3).

Beim Einlaufen des Kolbens 12 im Zylinder 11, d. h. im wesentlichen schon während des mechanischen Werkprobelaufs der Maschine, wird die Umfangsfläche 26 des Winkelprofil-Kolbenringes 16 an der rauhen Zylinderinnenfläche 17 soweit abgeschliffen, daß sich ein sehr schmaler Labyrinthspalt 27 bildet. Durch den ständigen Sitz der konischen Ringflächen 20 und 23 aufeinander und durch das Andrücken dieser beiden konischen Ringflächen 20 und 23 mittels der Spannfeder 25, wird dieser Labyrinthspalt während des Betriebes der Maschine unverändert gehalten und stabilisiert.

Die in den Fig. 1 und 4 wiedergegebene Führungseinrichtung 14 weist zweiteilige Führungsringe 31, einen Ringträger 32 und eine Führungsbuchse 37 auf.

Die zweiteiligen Führungsringe 31 sind in dem Ringträger 32 angebracht, der wiederum demontierbar auf dem Führungsende 33 der Kolbenstange 13 befestigt ist. Wie Fig. 5 zeigt, sind als Montagehilfe die zweiteiligen Führungsringe 31 so schräg geschnitten, daß die Teilung etwas über die Mitte reicht und die Ringhälften somit leicht auf dem Ringträger 32 haften. Zu Inspektionszwecken braucht nur der kleine Verschlußdeckel 34 über der Führung geöffnet zu werden, und der Ringträger 32 kann nach dem Lösen der Schraubverbindung 35 zur Kolbenstange nach oben herausgezogen werden. Ein aufwendiges Demontieren des Zylinderdeckels 15 und der Ausbau des Kolbens mit der Kolbenstange ist bei der vorliegenden Anordnung nicht nötig.

Die aus Trockenlaufmaterial hergestellten Führungsringe 31 laufen mit außerordentlich geringem Spiel in der Führungsbuchse 37 aus einem Material mit veredelter Oberfläche. Diese Buchse 37 ist stramm in die gut gekühlte Wandung 38 des Zylinderdeckels 15 eingesetzt. Das von dem Führungsende 33 der Kolbenstange verdrängte Gas wird nicht mehr, wie bei den bekannten Ausführungen, durch eine Zentralbohrung in der Stange geleitet, wo es sich durch die Reibungswärme aufheizt, sondern erfindungsgemäß durch einen im Zylinderdeckel 15 eingebauten Kanal 39, der gut vom Kühlwasser umgeben ist und an einer Stelle in den Verdichtungsraum 36 (Fig. 1) des Zylinders 11 mündet, wo das geringste Temperaturniveau zu erwarten ist.

Durch die Führungseinrichtung 14 können kleinstmögliche Labyrinthspalte 27 eingehalten werden, so daß sich möglichst geringe Leckagen am Kolben 12 erreichen lassen. Dies ist wiederum für einen geringen Energieverbrauch und hohen Wirkungsgrad der Verdichtung von erheblicher Wichtigkeit. Da die Bildung des Labyrinthspaltes 27 beim Einlaufvorgang, im wesentlichen während des mechanischen Werksprobelaufes der Maschine, also unter Einfluß der Führungseinrichtung 14 erfolgt, ist die Präzision der Führungseinrichtung 14 auch maßgeblich für die Größe des entstehenden Labyrinthspaltes 27, wobei ein Minimalspalt angestrebt ist.

Claims (8)

1. Zylinder-Kolben-Anordnung für Hubkolben-Kraftmaschinen und Hubkolben-Arbeitsmaschinen, bei der die Kolbenringe als Winkelprofilringe mit einem im einwärtigen Bereich gebildeten Kragen trapezförmigen Querschnitts ausgebildet und jeweils derart in eine Aufnahmenut mit im einwärtigen Bereich L-förmig axial erweiterten Profil am Kolben eingesetzt sind, daß die an der radial nach außen gerichteten Seite gebildete konische Ringfläche des Kragens einer entsprechend konischen Ringfläche im L-Profil der Aufnahmenut gegenüberliegt, wobei ein druckseitig vom Verdichtungsraum am Winkelprofil-Kolbenring radial vorbeiführender Druckmittel-Durchlaß zum Boden der Aufnahmenut vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet,
daß der Kolben (12) mit einer Führungseinrichtung (14) zur axialen Führung im Zylinderdeckel (15) gelagert ist, die einen Führungskolben mit Führungsringen (31) enthält, die auf einem leicht auswechselbar mit der Kolbenstange (13, 31) verbundenen Ringträger (32) angebracht sind,
daß die Winkelprofil-Kolbenringe (16) an ihrer der Zylinderinnenfläche (17) zugewandten Umfangsfläche (26) mit umfänglichen Labyrinthrillen (18) versehen sind und
daß der Kolben (12) dadurch zu einem mit rauher Zylinderinnenfläche (17) zusammenwirkenden Labyrinth-Kolben ausgebildet ist, daß die Winkelprofil-Kolbenringe (16) und ihre jeweilige L-Profil- Aufnahmenuten (21) derart aufeinander abgestimmt sind, daß im Neuzustand die Umfangsflächen (26) der Winkelprofil-Kolbenringe (16) bei aufeinandersitzenden, konischen Ringflächen (20, 23) in Anlage mit der Zylinderinnenfläche (17) sind und daß bereits beim ersten Einlaufbetrieb die Winkelprofil-Kolbenringe (16) an der Umfangsfläche (26) unter Bildung eines Labyrinthspaltes (27) abgeschliffen werden, der durch festen Sitz der konischen Ringflächen (20, 23) am Kragen (19) der Winkelprofil-Kolbenringe (16) und dem L-Profil der Aufnahmenuten (21) eingestellt und danach stabil gehalten wird.

2. Zylinder-Kolben-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an der der Zylinderinnenfläche (17) zugewandten Umfangsfläche (26) der Winkelprofil-Kolbenringe (16) mindestens zwei parallele umfängliche Labyrinthrillen (18) vorgesehen sind.

3. Zylinder-Kolben-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelprofil-Kolbenringe (16) an ihrer dem Boden der Aufnahmenut (21) zugewandten, inneren Umfangsfläche eine in eine dort angebrachte Nut (24) eingesetzte, radial auswärts wirkende Spannfeder (25) tragen.

4. Zylinder-Kolben-Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsringe (31) zweiteilig mit über die Mitte hinaus verlaufendem schrägen Schnitt ausgebildet und leicht haftend auf dem Ringträger (32) angebracht sind.

5. Zylinder-Kolben-Anordnung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Zylinderdeckel (15) eine gekühlte Führungsbuchse (37) für den Führungskolben auswechselbar angebracht ist.

6. Zylinder-Kolben-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsringe (31) aus selbstschmierendem Trocken-Gleitwerkstoff gebildet sind.

7. Zylinder-Kolben-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gasausgleichkanal (39) von dem Ende der Führungseinrichtung (14) durch einen gekühlten Teil des Zylinderdeckels (15) zum Verdichtungsraum (36) geführt ist.

8. Zylinder-Kolben-Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasausgleichkanal (39) an einer Stelle in den Verdichtungsraum (36) mündet, an der die niedrigste Temperatur zu erwarten ist.