DE1503463A1 - Kompressorkolben - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kolben für Kompressoren mit in Ringnuten eingelegten Kolbenringen aus einem Kunststoff, zum Beispiel Polytetrafluoräthylen.

Kompressoren für gasförmige Medien arbeiten vielfach im so genannten Trockenlauf, damit das Medium frei von Schmier-Ölverunreinigungen ist und da die Anwendung von Schmieröl beispielsweise bei der Verdichtung von Sauerstoff unmöglich ist. Aus diesem Grunde hat man bei derartigen Kompressoren die üblichen Metallkolbenringe durch Kolbenringe aus einem geeigneten Kunststoff ersetzt, der unter anderem selbstschmierende Eigenschaft hat. Die Kunststoffkolbenringe sind an einer Umfangsstelle in üblicher Weise durchgetrennt, damit sie in die Ringnuten des Kolbens eingelegt werden können, und sind so bemessen, dass sie mit ihren Seitenflächen genügend satt an den Seitenflanken der Ringnuten anliegen, nicht aber mit ihrer inneren Umfangsfläche an dem Nutengrund der Ringnuten anliegen, so dass am Nutengrund der Ringnuten ein ringförmiger Zwischenraum verbleibt. Es hat sich nun gezeigt, dass diese Kunststoffkolbenringe verhältnismäßig rasch verschleißen und dann Betriebsstörungen verursachen, weil ein durch Verschleiß dünn gewordener Kolbenring der Gefahr unterliegt, dass er aus seiner Ringnut in den Spielraum zwischen Kolben und Zylinder herausspringt. Die Kolbenringe müssen daher nach einer gewissen, nicht sehr hohen Zahl von Betriebsstunden erneuert werden, was häufige, kostspielige Stillsetzungen des Kompressors und Montagearbeiten erfordert. Außerdem sind neue Kunststoffkolbenringe außerordentlich teuer. Ein sehr hohe Verschleiß der Kunststoffkolbenringe ist vor allem bei Kompressoren zu beobachten, bei denen ein hoher so genannter Differenzdruck, das heißt ein hoher Druckunterschied zwischen dem Verdichtungsenddruck vor den Kolbenringen und dem Atmosphärendruck oder anderem Gegendruck hinter den Kolbenringen vorhanden ist, vor allem beispielsweise bei einem Differenzdruck von 40 atü oder mehr.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, den Verschleiß der bekannten üblichen Kunststoffkolbenringe herabzusetzen und damit ihre Lebensdauer zu erhöhen.

Es wurde gefunden, dass durch in den ringförmigen Zwischenraum am Nutengrund der Ringnuten eindringendes, zu verdichtendes Medium in diesem Zwischenraum ein bestimmter, unter anderem vom Verdichtungsenddruck, Differenzdruck, Druck des angesaugten Mediums, der Drehzahl des Kompressors und der mittleren Kolbengeschwindigkeit abhängender Druck herrscht, der die innere Umfangsfläche der Kolbenringe beaufschlagt und daher die Kolbenringe mit sehr hoher Druckkraft radial nach außen gegen die Zylinderwandung anpresst, und dass die von diesem Druck erzeugte Druckkraft die Ursache für den hohen Verschleiß der Kunststoffkolbenringe ist und ein zum abdichtenden Andrücken der Kolbenringe überhaupt erforderliches Maß an Druckkraft weit übersteigt.

Die gestellte Aufgabe wird nun erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Seitenflanken der Ringnuten vom Nutengrund nach außen in Richtung zum vorderen, vom Verdichtungsdruck beaufschlagten Kolbenende hin geneigt sind und mit der Längsachse des Kolbens einen Neigungswinkel bilden, dass die Kolbenringe in ihrem Querschnitt dem Querschnitt der Ringnuten angepasst sind, an dem Nutengrund nicht anliegen und auf ihrer dem beaufschlagten Kolbenende zugewandten Seitenfläche sowie auf ihrer dem Nutengrund zugewandten Umfangsfläche von dem zu verdichtenden Medium beaufschlagt werden und dass die Tangentialkomponente der auf die Umfangsfläche wirkenden Kraft etwas größer ist als die ihr entgegengesetzte Tangentialkomponente der auf die Seitenfläche wirkenden Kraft.

Durch die Schräglage der Seitenflächen des Kolbenringes und der Seitenflanken der Ringnut wird also die in axialer Richtung auf dem Kolbenring einwirkende Kraft, die sich aus der Seitenflächengröße und dem Verdichtungsenddruck ergibt, in eine Normalkomponente und eine Tangentialkomponente zerlegt, die dem Kolbenring in die Ringnut hineinzudrücken trachtet, und die in radialer Richtung auf den Kolbenring einwirkende Kraft, die sich aus der Größe der inneren Umfangsfläche des Kolbenringes und dem in ringförmigen Zwischenraum am Nutengrund der Ringnut herrschenden Druck ergibt, ebenfalls in eine Normalkomponente und eine Tangentialkomponente zerlegt, die den Kolbenring aus der Ringnut herauszudrücken trachtet. Es kann daher durch Veränderung des Neigungswinkels die Größe der beiden Tangentialkomponenten verändert werden, und es kann nun ohne weiteres ein solcher Neigungswinkel ermittelt und bei der Herstellung der Ringnuten und der Kolbenringe vorgesehen werden, dass die Tangentialkomponente der letztgenannten radialen Kraft etwas größer ist als die Tangentialkomponente der erstgenannten axialen Kraft. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Maßnahme wird daher eine vollkommen ausreichende Anpresskraft herbeigeführt, die wesentlich geringer ist als die bei den bekannten Kolbenringen auftretende Anpresskraft, und infolgedessen eine erhebliche Verringerung des mechanischen Verschleißes der Kolbenringe und eine bedeutende Erhöhung der Lebensdauer der Kolbenringe erzielt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels und eines vergleichenden Versuchsergebnisses näher erläutert.

Die Zeichnung zeigt in schematischer Darstellung einen Kompressorkolben 1 und einen Zylinder 2. Mit 3 ist das vordere, vom Verdichtungsdruck beaufschlagte Kolbenende bezeichnet. Der Kolben 1 trägt Kolbenringe 4 aus einem geeigneten, an sich bekannten Kunststoff, die in Ringnuten 5 eingelegt sind. Die Kolbenringe 4 liegen mit ihren Seitenflächen 8 in üblicher Weise satt beziehungsweise mit ganz geringem Spiel an den Seitenflanken 6 der Ringnuten 5 an. Die inneren Umfangsflächen 9 der Kolbenringe 4 stehen in einem radialen Abstand von Nutengrund 7 der Ringnuten 5, so dass am Nutengrund der Ringnuten ein ringförmiger Zwischenraum gebildet ist. Die Kolbenringe 4 sind an einer Umfangsstelle in nicht näher dargestellter Weise mit üblicher Schnittausführung durchgeschnitten beziehungsweise getrennt, so dass sie im Durchmesser vergrößert werden können, damit man sie einerseits in die Ringnuten 5 einlegen kann und damit sie andererseits auseinander gespreizt und abdichtend gegen den Zylinder 2 angedrückt werden können. Die Seitenflanken 6 der Ringnuten 5 und die Seitenflächen 8 der Kolbenringe 4 sind, vom Nutengrund 7 nach außen gesehen, in Richtung zum vorderen, vom Verdichtungsdruck beaufschlagten Kolbenende 3 hin geneigt und bilden mit der Längsachse des Kolbens 1 einen Neigungswinkel a. Das zu verdichtende Medium übt nun auf einem Kolbenring 4 eine axial gerichtete Druckkraft P aus, die sich aufgrund der Schräglage des Kolbenringes und der Ringnut in eine nicht näher dargestellte, senkrecht zur Seitenfläche 8 beziehungsweise Seitenflanke 6 stehende Normalkomponente und in eine in Richtung der Seitenfläche 8 beziehungsweise Seitenflanke 6 verlaufende, zur Kolbenachse weisende Tangentialkomponente T zerlegt. Beim Betrieb des Kompressors dringt in den ringförmigen Zwischenraum auf der inneren Umfangsfläche des Kolbenringes zu verdichtendes Medium ein, und es baut sich in diesem ringförmigen Zwischenraum ein bestimmter Druck des eingeschlossenen Mediums auf, so dass auf dem Kolbenring eine radial gerichtete Druckkraft P1 ausgeübt wird. Auch diese Druckkraft Ptief1, zerlegt sich auf Grund der Schräglage des Kolbenringes und der Ringnut in eine nicht näher dargestellte Normalkomponente und eine Tangentialkomponente Ttief1, die nach außen weist und der Tangentialkomponente T entgegenwirkt. Mit kleiner werdendem Winkel a verkleinert sich die Tangentialkomponente Ttief1 und vergrößert sich die Tangentialkomponente T. Der Winkel a ist so bemessen, dass die Tangentialkomponente Ttief1 etwas größer ist als die Tangentialkomponente T. Infolgedessen wird der Kolbenring mit einer solchen Anpresskraft gegen die Zylinderwandung angedrückt, die zur Erzielung einer Dichtheit vollständig ausreicht und wesentlich kleiner ist als die radiale Druckkraft Ptief1, die bei den bekannten Kolben und Kolbenringen mit senkrecht zur Kolbenlängsachse stehenden Seitenflanken der Ringnuten und Seitenflächen der Kolbenringe den hohen Verschleiß der Kolbenringe verursacht. Da der Reibungskraftanteil der Druckkraft P größer ist als der Reibungskraftanteil der Druckkraft Ptief1, haben die Reibungskräfte keinen negativen Einfluss auf die Wirkung der erfindungsgemäßen Maßnahme und können daher vernachlässigt werden.

Es wurden mit einem Kolbenkompressor Vergleichsversuche mit Kunststoffkolbenringen der bekannten Art und mit Kunststoffkolbenringen gemäß der Erfindung durchgeführt. Der Kompressor hatte einen Zylinder mit einem Innendurchmesser von 85 mm und einen Kolben mit einem Durchmesser von 83 mm. Die Drehzahl betrug 300 Umdrehungen pro Minute, der Hub 320 mm und die mittlere Kolbengeschwindigkeit 3,25 m/sec. Das zu verdichtende gasförmige Medium gelangte in den Kompressor mit einem Ansaugdruck von 30 atü und wurde auf einem Verdichtungsenddruck von 80 atü verdichtet. Die Kolbenstange des einfach wirkenden Kompressors führte ins Freie, so dass auf der Kolbenrückseite im wesentlichen Atmosphärendruck herrschte und der Kolben von den Kunststoffkolbenringen gegen einen Differenzdruck von 70 atü abzudichten war. Die Abdichtung erfolgte in beiden zu vergleichenden Fällen durch 7 Kolbenringe, die einen Innendurchmesser von 71 mm und eine radiale Höhe von 7 mm hatten. Die Kolbenringe hatten eine axiale Dicke von 5,8 mm und waren in Ringnuten mit einer axialen lichten Weite von 6 mm eingelegt. Um die Gefahr zu vermeiden, dass ein durch Verschleiß dünner werdender Kolbenring aus seiner Ringnut herausspringt und sich im Spielraum zwischen Kolben und Zylinder verklemmt, ergab sich die Notwendigkeit, einen Verschleiß des Kolbenringes bis zu 4 mm zuzulassen und ihn sodann durch einen neuen Kolbenring zu ersetzen.

Für die bekannten, üblichen Kunststoffkolbenringe mit senkrecht zur Kolbenlängsachse stehenden Seitenflächen wurde ein Kolben verwendet, dessen Ringnuten dementsprechend ebenfalls senkrecht zur Kolbenlängsachse stehende Seitenflanken besaßen. Im Laufe des Betriebes des Kompressors zeigte sich, dass der am rückwärtigen, der Kolbenstange zugewandten Kolbenende angeordnete Kolbenring einem stärkeren Verschleiß ausgesetzt ist als die vor ihm liegenden Kolbenringe. Bereits nach einer Betriebsdauer von ungefähr 250 Stunden erreichte der Verschleiß des letzten Kolbenringes das maximal zulässige Maß von 4 mm, so dass eine Stillsetzung und Demontage des Kompressors und ein Ersatz des verschlissenen Kolbenringes durch einen neuen Kolbenring erforderlich wurde. Es wäre zwar möglich, die Kolbenringe von Zeit zu Zeit umzusetzen und den letzten Kolbenring rechtzeitig vor Erreichen des zulässigen Verschleißes gegen einen jeweils am wenigstens verschlissenen Kolbenring auszutauschen, bezüglich Montageaufwand und Stillstandzeiten des Kompressors bringt dies aber gegenüber dem Einbau eines neuen Kolbenringes keinen Gewinn. Es wurde festgestellt, dass selbst beim Umsetzen der Kolbenringe nach einer Betriebsdauer von rund 400 Stunden der Verschleiß aller Kolbenringe das zulässige Maß von 4 mm erreicht hatte und dass dann alle Kolbenringe durch neue Kolbenringe ersetzt werden mussten.

Es wurde sodann ein Kolben verwendet, bei dem die Seitenflanken der Ringnuten erfindungsgemäß in Richtung zum vorderen Kolbenende hin geneigt waren und mit der Längsachse des Kolbens einen Neigungswinkel bildeten. In die Ringnuten wurden Kunststoffkolbenringe aus gleichem Material eingelegt, die in ihrem Querschnitt dem Querschnitt der Ringnuten angepasst waren, das heißt, deren Seitenflächen gleichfalls zum vorderen Kolbenende hin geneigt waren und mit der Längsachse des Kolbens den gleichen Neigungswinkel bildeten. Der Ermittlung der Größe des Neigungswinkels lag der Differenzdruck von 70 atü und ein in dem ringförmigen Zwischenraum am Nutengrund der Ringnuten herrschender Druck in Höhe von 50 % des Differenzdruckes zugrunde. Der Betrag von rund 50 % des Differenzdruckes für diesen Druck in dem ringförmigen Zwischenraum dürfte auch für andere in der Praxis in Betracht kommende und verwendete, vergleichbare Kompressoren brauchbar sein. Aus dem Differenzdruck und der Seitenflächengröße der Kolbenringe wurde die axial gerichtete Druckkraft P und aus dem in vorerwähnten ringförmigen Zwischenraum herrschenden Druck und der Größe der inneren Umfangsfläche der Kolbenringe wurde die radial gerichtete Druckkraft Ptief1 ermittelt. Mit Hilfe eines Kräftediagramms wurden die Druckkräfte P und Ptief1 in ihre Normalkomponente und Tangentialkomponente zerlegt und auf diesem Wege ein Neigungswinkel ermittelt, bei dem die Tangentialkomponente Ttief1 der Druckkraft Ptief1 etwas größer ist als die Tangentialkomponente T der Druckkraft P. Der Neigungswinkel wurde mit 70° ermittelt und der Herstellung der Ringnuten und Kolbenringe zugrunde gelegt. Es ergab sich, dass erst nach einer Betriebsdauer von rund 1.000 Stunden der Verschleiß des am stärksten auf Verschleiß beanspruchten Kolbenringes nur 2,3 mm betrug. Das bedeutet also, dass aufgrund der erfindungsgemäßen Ausbildung eines Kompressorkolbens und seiner Kunststoffkolbenringe die Lebensdauer eines Kolbenringes bis zum zulässigen Verschleißausmaß ein Vielfaches der Lebensdauer der herkömmlichen, bekannten Kunststoffkolbenringe beträgt.

Selbstverständlich ist die Erfindung auch bei Kompressoren mit doppelt wirkenden Kolben mit gleichem Vorteil anwendbar. Sie eignet sich auch, um die Lebensdauer der Dichtungsringe einer Kolbenstangenpackung zu erhöhen.

Claims (1)

1. Kolben für Kompressoren mit in Ringnuten eingelegten Kolbenringen aus einem Kunststoff, zum Beispiel Polytetrafluoräthylen, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenflanken (6) der Ringnuten (5) vom Nutengrund (7) nach außen in Richtung zum vorderen, vom Verdichtungsdruck beaufschlagten Kolbenende (3) hin geneigt sind und mit der Längsachse des Kolbens (1) einen Neigungswinkel (a) bilden, dass die Kolbenringe (4) in ihrem Querschnitt dem Querschnitt der Ringnuten (5) angepasst sind, an dem Nutengrund (7) nicht anliegen und auf ihrer den beaufschlagten Kolbenende (3) zugewandten Seitenfläche (8) sowie auf ihrer dem Nutengrund (7) zugewandeten Umfangsfläche (9) von dem zu verdichtenden Medium beaufschlagt werden, und dass die Tangentialkomponente (Ttief1) der auf die Umfangsfläche (9) wirkenden Kraft (Ptief1) etwas größer ist als die ihr entgegengesetzte Tangentialkomponente (T) der auf die Seitenfläche (8) wirkenden Kraft (P).