AT512609A1 - Federelement - Google Patents

Abstract

Dichtringe oder Abstreifringe in einer Abdichtung einer Druckpackung eines Kolbenkompressors müssen zum Teil axial vorgespannt sein. Für die axiale Vorspannung wird hier ein Federelement (1) vorgeschlagen, das aus einem Ring (4) besteht, an dem über dem Umfang verteilt eine Anzahl von aus der Ringebene (6) umgebogenen Laschen (2) vorgesehen sind, wobei die Laschen (2) radial vom Ring (4) abstehend ausgeführt sind und die freien Enden der Laschen (2) von der Ringebene (6) axial beabstandet angeordnet sind.

Description

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Federelement

Die gegenständliche Erfindung betrifft ein Federelement bestehend aus einem Ring, an dem über dem Umfang verteilt eine Anzahl von aus der Ringebene umgebogenen Laschen vorgesehen sind, wobei die Laschen radial vom Ring abstehend ausgeführt sind und die freien 5 Enden der Laschen von der Ringebene axial beabstandet angeordnet sind, sowie die Verwendung eines solches Federelements in einer Abdichtung eines Kolbenkompressors.

In einem Kolbenkompressor ist der Raum mit hohem Druck, z.B. der Arbeitsdruck im Zylinder des Kompressors, gegenüber einem Raum mit niedrigem Druck, z.B. der Atmosphärendruck im Kurbelgehäuse des Kompressors, entlang der Kolbenstange abzudichten. Dazu 10 werden bekannter Weise sogenannte Druckpackungen eingesetzt, die zwischen der hin- und herbewegten Kolbenstange des Kolbenkompressors und einem feststehenden Maschinenteil, in der Regel einem Teil des Kompressorgehäuses, abdichten. Eine solche Druckpackung umfasst in der Regel mehrere Dichtringe, wie z.B. Packungsringe bzw. Packungsring-Kombinationen, die in axial hintereinander angeordnete Kammerscheiben der Druckpackung 15 angeordnet sind. Ebenso kann in einer Druckpackung in einer Kammerscheibe, typischerweise kurbelkastenseitig, auch ein Abstreifring angeordnet sein, um auf der Kolbenstange anhaftendes öl, z.B. Schmieröl aus dem Kurbelkasten, abzustreifen. Ein Dichtring oder ein Abstreifring ist dabei schmäler, als die axiale Länge der Ausnehmung, in der dieser angeordnet ist, da die Ringe bei der zwangsweise vorhandenen Wärmeausdehnung in der Aus-20 nehmung axial geklemmt und damit stecken würden, was dessen Funktion negativ beeinflussen könnte. Ein Dichtring oder ein Abstreifring ist in der Ausnehmung daher axial beweglich angeordnet. Solche Druckpackungen sind hinlänglich bekannt. Am häufigsten werden dabei Kombinationen aus einem radial geschnittenen und einem tangential geschnittenen Packungsring verwendet, wie z.B. aus der EP 1 146 264 A2 hervorgehend. Daneben werden 25 auch segmentierte Ringdesigns, bei denen ein Packungsring aus mehreren Ringsegmenten zusammengesetzt wird, eingesetzt, wie z.B. aus der US 4 350 349 A bekannt. Ein möglicher Abstreifring ist z.B. aus der EP 2 369 205 A1 bekannt.

In einer Druckpackung eines Kolbenkompressors wird in der Regel kurbelkastenseitig vor dem letzten Dichtring oder dem Abstreifring eine Entlüftungsleitung vorgesehen, um Gasle-30 ckage abzuführen und zu verhindern, dass Kompressionsmedium in den Kurbelkasten gelangt. Die kurbelkastenseitig hinter der Entlüftungsleitung liegenden Dichtringe müssen axial vorgespannt werden, um diese auch bei den anliegenden geringen Druckdifferenzen dicht zu bekommen. Typ scherweise liegt der Entlüftungsdruck nie höher als 3bar Ein Abstreifring kurbelkastenseitig hinter der Entlüftungsleitung muss axial vorgespannt werden, um das 35 Ausbilden eines Leckagepfades zwischen Abstreifring und Kammerscheibe zu verhindern. -1-

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Nicht axial vorgespannte Abstreifringe würden durch die hin- und hergehende Kolbenstange von der Dichtfläche an der Wand der Kammerscheibe abgehoben werden, wodurch ein unerwünschter Leckagepfad geöffnet werden würde, über den Öl aus dem Kurbelkasten in die Druckpackung eindringen kann. Daher werden solche nach der Entlüftungsleitung angeordnete Dichtringe oder Abstreifringe in der Regel axial vorgespannt, z.B. durch ein axial wirkendes Federelement, um sicherzustellen, dass diese an der zugehörigen Dichtfläche der Kammerscheibe während des gesamten Kompressionszyklus anliegen.

Zum Einsatz kommen dabei z.B. Spiralfedern (siehe z.B. EP 2 369 205 A1) oder zwei Ringe, die axial an gegengieichen schrägen Flächen aneinander anliegen und die radial durch eine Umfangsfeder vorgespannt werden, oder eine Umfangsfeder, die an einer schräge Flächen zweier benachbarter Ringe anliegt und die Ringe damit auseinander drückt (siehe z.B. US 6,959,930 B2). All diese Lösungen bedingen relativ aufwendige Konstruktionen, die auch viel Platz in Anspruch nehmen. Bei den Lösungen mit schrägen Flächen kommt zusätzlich hinzu, dass dadurch immer auch eine Radialkraftkomponente erzeugt wird, die einen Dichtring zusätzlich radial gegen die Kolbenstange presst, was nicht nur den Verschleiß des Dichtringes erhöht, sondern auch die Reibkraft zwischen Dichtring und Kolbenstange und dadurch die Kolbenstangen- und Packungstemperatur.

Daneben gibt es natürlich auch noch andere bekannte axial wirkende Fedem, wie z.B. eine Weilenfeder. Bei einer Wellenfeder ergeben sich ab«* beim hier beabsichtigten Einsatz einige signifikante Probleme. Der Innendurchmesser einer Wellenfeder ist nicht so leicht zu kontrollieren. Der Rohling kann zwar genau gefertigt werden, z.B. durch Lasern oder Stanzen, durch das Biegen der Wellenfeder verändert sich jedoch der Innendurchmesser. Den Innendurchmesser einer Wellenfeder prozesstechnisch immer gleich herzustellen ist aber sehr aufwendig, was die Wellenfeder sehr teuer machen würde. Darüber hinaus ergeben sich bei der Wellenfeder erhebliche Probleme bei der Montage. Wenn die Wellenfeder und der Dichtring oder Abstreifring nicht als ein gesamtes Set eingebaut werden können (z.B. bei einer über Kopf Installationen oder einer vertikalen Installationen) gibt es erhebliche Probleme, da sich die Wellenfeder nur an einigen Punkten anliegen würde, was die Wellenfeder bei der Montage schwierig handzuhaben macht. Aufgrund der für die angedachte Anwendung benötigten geringen Anpresskräfte (typischer Weise zwischen -30 und 70N), müsste man eine Wellenfeder mit einer geringen Anzahl von Wellen einsetzen (bei kleineren und mittleren Kolbenstangen z.B. zwischen 3 und 5 Wellen). Der Nachteil dabei ist, dass der Dichtring oder Abstreifring in axialer Richtung nur auf den Wellen der Wellenfeder aufliegt und es somit in gewissen Anordnungen zu einer unerwünschten Biegebeanspruchen des Dichtringes oder Abstreifringes kommen kann. Je mehr Auflagepunkte desto geringer ist die Biegebeanspruchung. Weiters müsste die Wellenfeder bei kurzen Federwegen mit großen Blechstärken -2-

822 AT ausgeführt werden. Das ist aber problematisch, da kleinste Abweichungen in axialer Richtung große Auswirkungen auf die Federkraft hätte, die somit nicht ausreichend sicher kontrolliert werden könnte. Kurzum, Wellenfedem sind für den beabsichtigten Einsatzzweck ungeeignet.

Es ist daher eine Aufgabe der gegenständlichen Erfindung ein axial wirkendes Federelement für den Einsatz mit einem Abstreiffing oder Dichtring in einer Druckpackung anzugeben, das einerseits einfach aufgebaut ist und wenig Bauraum benötigt und andererseits die eingangs genannten Nachteile nicht aufweist.

Diese Aufgabe wird mit einem Federelement aus einem Ring, an dem über dem Umfang verteilt eine Anzahl von aus der Ringebene umgebogenen Laschen vorgesehen sind, wobei die Laschen radial vom Ring abstehend ausgeführt sind und die freien Enden der Laschen von der Ringebene axial beabstandet angeordnet sind, gelöst. Ein solches Federelement kann bei sehr kompakter Baugröße sehr genau und reproduzierbar mit gleichen Federeigenschaften, wie Geometrie, Federweg, Federkonstante oder Federverhalten, gefertigt werden. Durch die Laschen wird eine im Wesentlichen rein axiale Federkraft erzeugt, wobei das Federelement ausreichend große axiale Federwege zulässt. Außerdem kann ein solches Federelement mit einem genau definiertem Innendurchmesser gefertigt werden, was die genaue und sichere radiale Positionierung ermöglicht.

Ein solches Federelement wird vorteilhaft in einer Abdichtung eines Kolbenkompressors eingesetzt. Damit kann eine Abdichtung in axialer Richtung durch die geringe axiale Baulänge vorteilhafter Weise kompakter ausgeführt werden.

Wenn die freien Enden der Laschen als gerade Abschnitte ausgebildet sind, wobei die geraden Abschnitte gegenüber der Ringebene um einen Winkel im Bereich von größer 0° und kleiner 90° geneigt sind, vereinfacht sich die Fertigung des Federelements. Durch den geraden Abschnitt erreicht man weiters, dass sich die Laschen mit einer möglichst großen Fläche anlegen.

Die Montage des Federelements kann erleichtert werden, wenn der Ring in Umfangsrichtung geteilt ist. Das ist insbesondere der Fall, wenn bei einem Packungstausch, die Kolbenstange nicht ausgebaut wird. Durch die Teilung kann dann das Federelement einfach über die Kolbenstange gestülpt werden.

Um das Federelement in der Abdichtung radial einfach und genau positionieren zu können, kann am Dichtring oder am Abstreifring eine axiale Schulter vorgesehen sein, an der der Ring des Federelements mit dessen inneren Umfangsfläche anliegt. Alternativ kann axial zwischen Federelement und Dichtring oder Abstreifring ein L-förmiger Stützring angeordnet -3-

822 AT sein, wobei der Ring des Federelements mit dessen radial inneren Umfangsfläche am axialen Schenkel des Stützringes anliegt.

Die gegenständliche Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die schematischen, nicht einschränkenden Figuren 1 bis 5, die vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung zei-5 gen, näher erläutert. Dabei zeigt

Fig.1 eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Federelements,

Flg.2 eine Draufsicht des erfindungsgemäßen Federelements,

Fig.3 eine Seitenansicht des erfindungsgemäßen Federelements,

Fig.4 die Verwendung des erfindungsgemäßen Federelements in einer Druckpackung io mit einem Abstreifring,

Fig.5 die Verwendung erfindungsgemäßer Federelemente in einer Druckpackung mit mehreren Abstreifringen.

Das Federelement 1, wie in den Figuren 1 bis 3 dargestellt, wird aus einem Ring 4 gebildet, an dem radial außen, über den Umfang verteilt eine Anzahl von aus der Ringebene 6 (die 15 Ebene die durch die flächige Erstreckung des Ringes gebildet wird) umgebogenen, radial abstehenden und axial beabstandeten Laschen 2, z.B. wie hier acht Laschen 2, angeordnet sind, wobei die Laschen 2 mit dem Ring 4 verbunden sind. Das Federelement 1 weist auf diese Weise bevorzugt an einer Seite eine ebene Stirnfläche 3 auf und auf der anderen Seite die axial aus der Ringebene 6 abstehenden Laschen 2. Die freien Enden der Laschen 2 sind 20 axial von der Ringebene 6 beabstandet und werden vorzugsweise aus geraden Abschnitten 5 gebildet, die gegenüber der Ringebene 6 um einen Winkel α größer 0° und kleiner 90° geneigt sind. Diese geraden Abschnitte 5 sind mit dem Ring 4 über einen gebogenen Abschnitt 7 verbunden.

Die Federkonstante, der axiale Federweg und das Federverhalten des Federelements 1 25 kann einfach durch die Geometrie des Federelements 1, durch die Materialstärke und durch das Federmaterial kontrolliert und genau eingestellt werden.

Das Federelement 1 kann einfach gefertigt werden, indem ein ebener Rohling aus einem Blech z.B. gelasert oder ausgestanzt wird, wobei am Rohling radial außen, über den Umfang verteilte, in der Ringebene 6 liegende und sich in radialer Richtung erstreckende Vorsprünge 30 ausgebildet werden, die dann in einem Biegeprozess zu den Laschen 2 umgebogen werden. Die Fertigung der Laschen 2 kann dabei unabhängig von den Dimensionen des Rings 4 gemacht werden, indem die Laschen 2 immer gleich ausgeführt werden, egal welchen Durchmesser der Ring 4 hat. Damit kann der Fertigungsprozess erheblich erleichtert werden, da im Idealfall nur ein einziges Biegewerkzeug benötigt wird. Die Blechstärke liegt dabei typi-

822 AT scherweise im Bereich von 0,1 bis 1mm. Das Federelement 1 bzw. der Ring 4 kann in Umfangsrichtung auch geteilt ausgeführt sein, was die Montage erleichtern kann.

Als Material für das Federelement 1 kommt bevorzugt jedes Blech in Frage, das die benötigten Biegeradien zulässt und für den Einbau in einem Kompressors, bzw. für die darin vor-5 herrschenden Umgebungsbedingungen (wie Temperatur, Kompressionsmedium, etc.) geeignet ist.

Fig.4 zeigt die Verwendung des erfindungsgemäßen Federelements 1 in einer an sich bekannten Abdichtung 13 eines Kolbenkompressors. Die Abdichtung 13 dichtet entlang der hin-und hergehenden Kolbenstange 12 zwischen Kurbelkasten K und Zylinderraum Z ab. Die 10 Abdichtung 13 besteht in der Regel aus einer Anzahl von axial nebeneinander angeordneten Kammerscheiben 14, die jeweils Ausnehmungen 15 ausbilden, in denen die benötigten Dichtringe 11 und/oder Abstreifringe 10 angeordnet sind. Eine solche Abdichtung ist hinlänglich bekannt, sodass hier nicht näher darauf eingegangen wird.

In der Ausnehmung 15 ist im in Fig.4 gezeigten Ausführungsbeispiel ein Dichtring 11, z.B. 15 eine Kombination aus einem radial und tangential geschnittenen Packungsring, angeordnet, der kurbelkastenseitig axial an der Wand der Ausnehmung 15 anliegt. Zylinderseitig vor dem Dichtring 11 ist eine Entlüftungsleitung 18 angedeutet Axial zwischen der gegenüberliegenden Wand der Ausnehmung 15 und dem Dichtring 11 ist das erfindungsgemäße Federelement 1 angeordnet, wobei der Ring 4 axial am Dichtring 11 anliegt und die Lasche 2 an der 20 Wand der Ausnehmung 15. Der Radius des gebogenen Abschnitts 7 der Lasche 2 wird vorteilhaft so gewählt, dass er in etwa dem axialen Abstand zwischen Dichtring 11 und der Wand der Ausnehmung 15 entspricht Zur radialen Positionierung des Federelements 1 ist am Dichtring 11 eine axiale Schulter 16 vorgesehen, an der der Ring 4 des Federelements 1 mit seiner inneren Umfangsfläche anliegt. Anstelle der Schulter 16 könnte auch eine beliebi-25 ge andere Führungsfläche vorgesehen sein, an der das Federdement in radialer Richtung anliegt Es kann vorgesehen sein, dass der Innendurchmesser des Rings 4 etwas kleiner ist, als der Außendurchmesser der Führungsfläche, um einen möglichst genauen Sitz zu realisieren. Das Federelement 1 erzeugt bei bestimmungsgemäßen Einbau eine axiale Federkraft Ff, die den Dichtring 11 gegen die Wand der Ausnehmung 15 drückt. 30 In Fig.5 ist eine Anordnung aus zwei axial hintereinander liegenden Abstreifringen 10, z.B. eine Abstreifring wie in der EP 2 36Θ 205 A1 beschrieben, gezeigt wobei zwischen den beiden Abstreifringen 10 und einem Abstreifring 10 und der Wand der Ausnehmung 15 jeweils ein erfindungsgemäßes Federelement 1 angeordnet ist. Selbstverständlich könnten die Abstreifringe 10 auch direkt axial aneinander anliegend angeordnet sein und nur ein Federele-35 ment 1 zwischen Wand der Ausnehmung 15 und den Abstreifringen 10 vorgesehen sein. -5-

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Anstelle eines Abstreifringes 10 könnten natürlich auch mehrere Dichtringe in einer Ausnehmung 15 angeordnet sein.

Durch die über den Umfang verteilten Laschen 2, bzw. durch die dazwischen liegenden Freiräume, werden auch Drainagepfade ausgeformt, um das unerwünschte Einsperren von 5 Kompressionsmedium und/oder Öl aus dem Kurbelkasten in der Ausnehmung 15 zu verhindern.

Anstelle einer axialen Schulter 16 am Abstreifring 10 oder am Dichtring 11 könnte auch ein Stützring 17 vorgesehen sein, wie in Fig.6 beispielhaft dargestellt. Der L-förmige Stützring 17 liegt axial am Dichtring 11, bzw. am Abstreifring 10, an, wobei der Dichtring 11, bzw. der Ab-10 streifring 10 axial an der Wand der Ausnehmung 15 anliegt. Als Dichtring 11 könnte z.B. ein segmentierter Packungsring wie in EP 2 056 003 A1 beschrieben vorgesehen sein. Am axialen Schenkel des Stützringes 17 liegt der Ring 4 des Federelements 1 mit dessen radial inneren Umfangsfläche an und wird so wiederum in radialer Richtung positioniert. Es kann auch vorgesehen sein, dass der radiale Abstand zwischen Außendurchmesser des radialen 15 Schenkels des Stützringes 17 und der Ausnehmung 15 kleiner ist, als der radiale Abstand zwischen Innendurchmesser des Stützringes 17 und der Kolbenstange 12. Damit würde man auf jeden Fall erreichen, dass der Stützring 17 zuerst die Kammerscheibe 14 berühren würde und nicht die Kolbenstange 12, was großen Schaden im Kompressor verursachen könnte.

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Claims (7)

1. Patentansprüche 1. Federelement bestehend aus einem Ring (4), an dem über dem Umfang verteilt eine Anzahl von aus der Ringebene (6) umgebogenen Laschen (2) vorgesehen sind, wobei die 5 Laschen (2) radial vom Ring (4) abstehend ausgeführt sind und die freien Enden der Laschen (2) von der Ringebene (6) axial beabstandet angeordnet sind.
2. 2. Federelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die freien Enden der Laschen (2) als gerader Abschnitt (5) ausgebildet sind, wobei die geraden Abschnitte (5) gegenüber der Ringebene (6) um einen Winkel (a) im Bereich von größer 0° und kleiner 90° io geneigt sind.
3. 3. Federelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ring (4) in Umfangsrichtung geteilt ist.
4. 4. Verwendung des Federelements (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 in einer Abdichtung (13) eines Kolbenkompressors, die entlang der hin- und hergehenden Kolbenstange 15 (12) zwischen Kurbelkasten (K) und Zylinderraum (Z) abdichtet und zumindest eine Kam merscheibe (14) mit einer Ausnehmung (15) umfasst wobei in der Ausnehmung (15) ein Dichtring (11) oder ein Abstreifring (10) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (1) axial zwischen einer Wand der Ausnehmung <15} und dem Dichtring (11) oder Abstreifring (10) angeordnet ist wobei die ebene Seitenfläche (3) des Federelements 20 (1) dem Dichtring (11) oder Abstreifring (10) zugewandt angeordnet ist und die Laschen (2) des Federelements (1) der Wand der Ausnehmung (15) zugewandt angeordnet sind.
5. 5. Verwendung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass am Dichtring (11) oder am Abstreifring (10) eine axiale Schulter (16) vorgesehen ist, an der der Ring (4) des Federelements (1) mit dessen radial inneren Umfangsfläche anliegt.
6. 6. Verwendung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass axial zwischen Fe derelement (1) und Dichtring (11) oder Abstreifring (10) ein L-förmiger Stützring (17) angeordnet ist, wobei der Ring (4) des Federelements (1) mit dessen radial inneren Umfangsfläche am axialen Schenkel des Stützringes (17) anliegt.
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