DE1912468A1

DE1912468A1 - Schmierungsfreie Kolbenstangendichtung

Info

Publication number: DE1912468A1
Application number: DE19691912468
Authority: DE
Inventors: Neilson Kenneth Earl; De Wilde Emile Frederick
Original assignee: Worthington Corp
Current assignee: Worthington Corp
Priority date: 1968-04-24
Filing date: 1969-03-12
Publication date: 1969-12-04
Also published as: US3542374A; FR2006795A1; GB1205526A

Description

Schmierungsfreie Kolbenstangendichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Dichtung, und zwar im besonderen auf eine schmierungsfreie Hochdruck-Kolbens tangendichtung zur Verwendung in einem selbst— schmierenden Kompressor bei hohen Drücken und Temperaturen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung einer schmierungsfreien Kolbenstangendichtung für einen Kompressor, wobei Einrichtungen zur Steuerung der Belastung der Dichtungsring;© vorgesehen sind, so daß diese Belastung in annehmbaren Grenzen bleibt. Weiterhin ist es Ziel der Erfindung, eine schmierungsfreie Hoch— druck-Kolhenstangendichtung zu schaffen;, die eine Mehrzahl von Kühl— und/oder verbesserten Wärmeübertragungs—

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einrichtungen aufweist, wodurch die Betriebstemperaturen der Dichtung und der entsprechende Dichtungsverschleiß erheblich vermindert werden. Schließlieh soll durch die Erfindung eine selbstsohmierende Hochdruek-Kolbenstangendichtung für Kompressoren geschaffen werden, die ohne Entfernung der Kolbenstange bequem montierbar und denon— tierbar ist, beispielsweise für den Austausch von Dichtungsringen.

Die erfindungegemäße Lösung besteht bei einer schmierungsfreien Kolbenstangendichtung zur Verwendung in einem Kompressor mit einem Kolben und einem Kompressions— rams, in erster Linie darin, daß eine Mehrzahl von Abstand voneinander aufweisenden Dichtringanerdnungen aus selbst— schmierendem Werkstoff mit der Kolbenstange dichtend zusammenwirkt und daß Einrichtungen vorgesehen sind, die den Kompressionsraum in Strömungsverbindung mit der Dichtung · setzen und einen kontrollierten Leckstrom des Druokmediums aus dem Kompressionsraum an jeder Dichtringanordnung vorbei gestatten, derart, daß der Druckabfall an jeder Dichtringanordnung kontrolliert wird und entsprechend auch der Kontaktdruck und die Reibungskraft jeder der Dichtringanordnungen kontrolliert werden, mit denen diese auf die Kolbenstange wirkt.

Vorteilhafterweise trägt die Kolbenstange einen mit den Dichtringanordnungen zusammenwirkenden und Wärme aus dem Kontaktbereich von Kolbenstange und Dichtung abführenden, die Kolbenstange Tor Verschleiß schützenden, selbstsohmierenden Überzug, der die Verwendung.konventioneller

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KohlenwasserstoffSchmiermittel erübrigt.

Weiterhin sind gemäß der Erfindung Öffnungen vorgesehen, die einen gesteuerten Leckstrom und einen geregelten Druckabfall an jedem der Ringe gestatten, die damit die Belastung jedes Rings steuern und die Aufrechterhaltung annehmbarer Werte für die Belastung der Dichtung ermöglichen. Für alle Dichtungsringe ist eine Segmentkonstruktion gewählt, die die Demontage der Dichtungsanordnung und den Austausch von Dichtungsringen ohne weitgehende φ KorapressorderaontiU'.e gestattet.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nun folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Darin zeigen; Fig. i eine teilweise geschnittene Seitenansicht

eines Hochdruck—Kompressors, die den Bereich zeigt, wo die erfindungsgemäße Kolbenstangendichtung vorgesehen ist;

Fig. 2 ist ein Längsschnitt durch die erfindungsgemäße Kolbenstangendichtung;

Fig. 3 ist ein Querschnitt längs Linie 3-3 der Fig. 2, ™ die den Aufbau der Stützringe zeigt;

Fig. 4 ist ein Querschnitt längs Linie k-k der Fig. i, der den Aufbau der Schmierringe der Dichtung zeigt;

Fig. 5 ist ein Querschnitt längs Linie 5-5 der Fig. 2, der den Aufbau der Dichtungsringe zeigt;

Fig. 6 ist ein Diagramm des theoretischen Druckabfalls aufgetragen über der Lage der Dichtungsringe längs der Kolbenstange und

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Fig. 7 veranschaulicht eine etwas modifizierte Aus— führungsform der Kolbenstange, bei der diese Einrichtungen zur Kühlung der Kolbenstange enthält.

Fig. 1 zeigt einen doppeltwirkenden Hochdruck-Kompressor des nichtgeschmierten Typs, wie er beispielsweise von der Patentinhaberin hergestellt und vertrieben wird. Er ist allgemein mit 10 bezeichnet und enthält Zylinder 12 und lh mit einem hin— und hergehenden Kolben lö in dem Zylinder 12. Eine Kolbenstange 18 erstreckt sich in der gezeigten Weise von dem Kolben lö bis hin zur Verbindung mit einer Kurbelstange 20. Bei 22 ist allgemein eine schmierungsfreie Hochdruok—Stangen— packung angegeben, die erfindungsgemäß aufgebaut ist. Sie umgibt die Kolbenstange 18 an derjenigen Stelle, an der diese durch das Zylindergehäuse bzw. den Zylinderkopf 24 hindurchtritt, und bildet hier eine Dichtung, die die Verdichtung von Luft innerhalb des Zylinders mittels des Kolbens 16 ermöglicht, wie es an sich (

ohne weiteres erkennbar sein sollte.

Die Dichtung 22 ist in Fig. 2 im einzelnen dargestellt. Sie umfaßt eine Mehrzahl von schalenfö'rmigen Teilen 26, die die dargestellte Gestalt haben und in der gezeichneten, aufeinanderliegenden Stellung mittels hindurchführender Bolzen 28 gehalten werden, die sich durch die schalenförmigen Teile 26 und durch den Flansch 30 des Dichtungsgehäuses erstrecken und an diesem in der bei 32 angedeuteten Weise gesichert sind.

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Fluchtende Kühlflüssigkeitskanüle 3-Ί und 36 erstrecken sich, wie dargestellt, durch den Flansch JO des Diehtungsgehäuses und die zugehörigen schalenföriaigen Teile 2b; sie ermöglichen die Zuführung eines Kühlmediurns, beispielsweise Wasser, zu der erI^-indungsgemäßen Dichtung. Vorzugsweise sind der Dichtungsflansch 30 und die zugehörigen schalen— förmigen Teile 2b aus einem Werkstoff hergestellt, der gute Wärmeleitfähigkeit und hohen Korrosionswiderstand aufweist, beispielsweise Edelstahl, Aluminium oder Bronze.

Eine Mehrzahl von Dichtungsringanordnungen, von denen jede einen Dichtungsring 38 und einen Stützring 40 umfaßt, die einander in der dargestellten Weise flankieren, d.h., aufeinanderliegen, sind so gelegen, daß sie von jedem zweiten der schalenförmigen Teile 2b in Längsrichtung gehalten sind. Die radial nach innen gewendeten Oberflächen jedes Dichtungs- und Stützrings sind in festem Oberflächenkontakt mit einem dünnen, selbstschmierenden Molybdänüberzug 42, der auf der Oberfläche der Kolbenstange 18 vorgesehen ist. Der Hauptzweck dieser dünnen Molybdänschicht 42 besteht darin, die Möglichkeiten des Verschleißes und des Fressens an der Kolbenstange unter dar Wirkung des Kompressorbetriebs bei hohem Druck und hoher Tsiaperaturerheblich zu vermindern und für eine wesentlich bessere Wärmeabführung für diejenige Wärme zu sorgen,, die durch- den Reibungskontakt zwischen der Kolbenstange und den Ringen erzeugt wird.

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Jeder Stützring 40 der Dichtung kann in der in Fig. illustrierten Weise aus,, radial geschnittenen Segmenten zusammengesetzt sein und jeder der Dichtungsringe 38 der Dichtung kann in der in Fig* 5 veranschaulichten Weise aus tangential geschnittenen Segmenten bestehen. Jeder Dichtungsring und.,. Stützring wird an die Kolbenstange 18 durch eine Wurmfeder 44 angedrückt. Jeder Stütz— ring ist zusätzlich in bezug auf die Kolbenstange 18 durch eine Mehrzahl von mit Abstand voneinander angeordneten, zur Mitte weisenden Federn 4b zentriert, die eich, wie man es am besten in Fi^. 3 erkennt, an einer gegenüberliegenden Fläche eines schalen!ormigen Teils, die einen gewissen Abstand von dem Stützring besitzt, abstützen. Man erkennt, daß der Segmentaufbau der Dichtungs— und Stützringe den Austausch dieser Teile nach Demontage des schalenförmigen Teils 26 gestattet, ohne daß die Kolbenstange 18 des Kompressors 10 entfernt werden müßte. Die entsprechenden Stützringe 40 sind so bemessen, daß der Kontakt zwischen den entsprechenden, radial geschnittenen Flächen dep Segmente die Stützringe daran hindert, den Stangenüberzug 42 zu berühren; stattdessen besteht ein geringes Spiel dazwischen, wie es bei 41 in den Fig. .2 und 3 angedeutet ist. Vorzugsweise jedoch nicht notwendigerweise liegt die Größe des Spiels 41 im Bereich von 0,25 - 0,45 mm(10 bis 16 Tausendstel Zoll).

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Die Dichtungsringe 38 und die Stützringe 40 bestehen vorzugsweise jeweils aus einem selbstschmierenden Werkstoff mit guten Verschleißeigenschaften, beispielsweise aus mit Polytetrafluoräthylen gefüllter Bronze, wobei die Stützringe 40 in Richtung des Druckgefälles unterhalb der zugehörigen Dichtungsringe 38 angeordnet sind, wie es auch dargestellt ist, damit sie das Herausgequetschtwerden der Dichtungsringe während des Kompressorbetriebs unter hohem Druck und hoher Temperatur verhindern.

Die erfindungsgemäße Hochdruck—Kolbenstangenpackung 22 enthält zusätzlich zu den Dichtungsringen 38 und den Stützringen 40 eine Mehrzahl von Schmierringen 50, von denen jeweils einer jedem Paar von Dichtungs- und Stütz— ringen zugeordnet ist. Auch die Schmierringe 50 sind in der gezeigten Weise in Längsrichtung von einer benachbarten Fläche eines schalenförmigen Teils 26 abgestützt und sind ebenfalls - wie aus Fig. 4 hervorgeht - aus Segmenten aufgebaut. In jedem Falle ist eine Wurmfeder 52 vorgesehen, die den Sehmierring rundherum an die Kolbenstange 18 andrückt.

Jeder Schmierring 50 besteht vorzugsweise aus einem nichtschmierbedürftigen Material mit hinreichend guten Verschleißeigenschaften, beispielsweise Molybdändisulfid (Mo Sg) mit einem geeigneten Binder, der die Aufrechterhai tung der Ringform gewährleistet. Hauptzweck des Schmierrings 50 ist es, trocknes Schmiermittel Mo S„ auf der Kolbenstange 18 abzulagern und damit den Reibungs-

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verschleiß der Dichtungsringe 38 und der Stutzringe 40 aufgrund deren gleitenden Kontakts mit der Kolbenstange zu verringern.

Eine Mehrzahl von fluchtenden Durchlaßöffnungen 54 und 56 zur Herbeiführung eines begrenzten Leckstroms sind in der gezeigten Weise alternierend in den schalen— förmigen Teilen 26 vorgesehen, wobei die Gesamtheit der fluchtenden Durchlaßöffnungen wiederum mit einer Druckentlastungsöffnung 58 im Dichtungsflansch 30 f

fluchtet. Zusätzlich sind auf der Hochdruckseite der Dichtung 22 Räume 60 und 6l für einen kontrollierten Leckstrom in Gestalt des Zwischenraums zwischen dem letzten schalenförmigen Teil 2b und der Kolbenstangen — beschichtung 42 einerseits und in Gestalt eines von Abstandsmitteln 62 aufrechterhaltenen Abstands zwischen dem letzten schalenförmigen Teil 26 und der benachbarten Wand 64 der Zylinderkopfanordnung 24 vorgesehen. Es sind also offensichtlich Kanäle für einen begrenzten Leckstrom * in Gestalt der Räume 60 und 61, der fluchtenden Durchlaßöffnungen 54 und 56 und der Druckentlastungsöffnung vorhanden, die einen begrenzten Leckstrom des Hochdruck— mediums von innerhalb des Zylinders 12 nach außerhalb der Packung 22 gestatten.

Die Durchlaßöffnungen 54 und 56 für einen begrenzten Leckstrom mit dem daduroh gegebenen Leckströmungsweg gestatten die Steuerung des Druckabfalls an jedes Dichtungs-, Stütz— und Sohmlerring.

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Man sieht ein, daß durch richtige Wahl der Größe jeder, der Öffnungen 5*i und der Zahl von in der erfindungsgeinäßen Dichtung verwendeten Dichtungsringen der Druckabfall an jedem der Dichtungsringe auf ein solches Maß gedrückt werden kann, daß geringer Hingverschleiß gewährleistet ist. Und zwar ist dies - wie dem Fachmann bekannt ist — deshalb der Fall, weil der Verschleiß jedes Ringes direkt proportional dem Druckabfall an diesem Ring ist, da der Druckabfall die Kontaktpressung zwischen der Kolben— stange und dem Ring und damit die Reibungskraft bestimmt. Richtige Bemessung der Steueröffnungen $k für den Leck— strom ergibt also einen annehmbaren Druckabfall an den Dichtungsringen, durch den unerwünscht hoher Druckabfall an einem Dichtring verhindert wird, der dazu führen könnte, daß der Dichtring herausgequetscht wird, und/oder durch den die Entwicklung unerwünscht hoher Rlngtemperaturen mit entsprechend hohem, unerwünschtem Dichtungsringversehleiß vermieden wird. Zu-dem gestatten die Steueröffnungen 5^ für den Leckstrom genaue Vorhersage des Verschleißmaßes an den Dichtungsringen, wodurch es möglich wird, die Betriebs« dauer der Dichtungsringe bei Lieferung eines Kompressors zu bestimmen und optimale Richtlinien für die Ersetzung der Dichtungsringe bequem aufzustellen.

Im Hinblick auf die Öffnungen 56 stellt man. offensichtlich fest, daß diese in jedem Fall wesentlich grSSer sind als die Öffnungen 54. Diese Öffnungen. 56 werden genauer gesagt, so groß gemacht, daß im wesentliolien. jecler-

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Druckabfall an den jeweils oberhalb einer solchen Öffnung liegenden Schuiierring vermieden wird, wodurch im wesentlichen gewährleistet wird, daß die einzigen, nach innen gerichteten Kräfte, die die an den entsprechenden Schmierringen 50 entwickelten Kontaktdrücke bestimmen, von den zugehörigen Wurmfedern 52 stammen, deren Stärke selbstverständlich ohne weiteres so gewählt werden kann, daß sich ein annehmbarer Verschleiß der Schmierringe ergibt. Die Vermeidung jeglicher Druckabfälle an den Schmierringen ~m 56 bedeutet kein Problem, da diese keinerlei Dichtfunktion ausüben sondern nur die Punktion haben, Trockenschmiermittel Mo Sp für die oben beschriebenen Zwecke auf der Kolbenstange abzulagern.

Wenn der Kolben l6 im Betrieb zu der Packung 22 (Fig. 2) im Zylinder 12 bewegt wird, arbeiten die Dichtungs—, Stütz«- und Schmierringe in der oben beschriebenen Weise, indem sie die Kolbenstange im wesentlichen abdichten und einen selbstschmierenden Überzug auf derselben aufrechterhalten. Zusätzlich kann ein kleiner, I kontrollierter Leckbetrag der komprimierten Luft aus dem Zylinder 12 durch die Räume 60 und 61 und die Durchlaßöffnungen 54 und 56 im Sinne der Pfeile in Fig. 2 entweichen und die Dichtung durch die Druckentlastungs— Öffnungen 58 im Dichtungsflansch 30 verlassen.

Diese begrenzte Leckmenge komprimierter Luft hält die Druckabfälle an den einzelnen Dichtungsringen auf im wesentlichen gleicher Höhe und, wie oben ausgeführt,

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auf einem Niveau, das in bezug auf minimalen Ringverschleiß und entsprechend maximale Lebensdauer vorbestimmt ist. Der begrenzte Leckstrom komprimierter Luft durch die größeren Öffnungen 56 verhindert weiterhin die Entwicklung von Druckabfällen an den einzelnen Schmierringen 50, wodurch größte Lebensdauer dieser Ringe gewährleistet wird, wie oben im einzelnen beschrieben wurde.

Fig. 6 veranschaulicht die ungefähre Gleichheit der Druckabfälle an den einzelnen Dichtungs- und Stützringpaaren 38 und 40 einerseits und das Fehlen von Druckabfall an den einzelnen Schmierringen 50 andererseits. In dieser Figur sind die theoretischen Druckabfälle aufgetragen über der Ringanordnung in einer erfindungsgemäß aufgebauten Packung, in der drei Sätze von Dichtungs—, Stütz- und Schmierringen vorgesehen sind.

Fig. 7 veranschaulicht eine weitere Kühleinrichtung, die verwendet werden kann, um die Dichtungstemperaturen auf annehmbaren Beträgen zu halten und die besonders nützlich ist in der Anwendung bei unter hohen Drücken und Temperaturen arbeitenden schmierungsfreien Kompressoren. Diese Einrichtungen bestehen, wie man aus dieser Fig. ersehen kann, aus einer Höhlung 72 in der Kolbenstange 18, die im wesentlichen gefüllt ist mit einem Stoff 74, der ausgezeichnete Wärmeübertragungseigenschaften hat bei hohen Temperaturen, beispielsweise Kalium. Dadurch werden die Wärmetransporteigenschaften der Kolbenstange 18 erheblich verbessert, so daß eine erheblich größere Wärmemenge

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dadurch von dem unter hoher Temperatur befindlichen Kolben und Zylinder 12 in den Bereich außerhalb des Diehtungsi'lanches 30 gebracht werden kann und damit die Betriebstemperaturen der Dichtung 22 gesenkt und ihre Betriebsdauer verlängert werden können.

Offensichtlich ist die Erfindung nicht beschränkt auf die spezielle Konstruktion oder Anordnung der Teile, wie sie gezeigt wurden, sondern kann innerhalb des ihr zugrundeliegenden Erfindungsgedankens weitgehend modifiziert werden.

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Claims

- 13 PATENTANSPRÜCHE

(I)) Schmierungsfreie Kolbenstangendichtung zur Verwendung in einem Kompressor mit einem Kolben und einem Korapressionsraum, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Abstand voneinander aufweisenden Dichtring— anordnungen (38, 40) aus selbstschmierendem Werkstoff mit der Kolbenstange dichtend 'zusammenwirkt und daß Einrichtungen (60, 61, 56, 54, 58) vorgesehen sind, die den Kompressionsraum in Strömungsverbindung mit der Dichtung setzen und einen kontrollierten Leckstrom des Druckmediums aus dem Kompressionsraum an jeder Dicht— ringanordnung vorbei gestatten, derart, daß der Druckabfall an jeder Dichtringanordnung kontrolliert wird und entsprechend auch der Kontaktdruck und die Reibungskraft jeder der Dichtringanordnungen kontrolliert werden, mit denen diese auf die Kolbenstange (18) wirkt.
2) Kolbenstangendichtung nach Anspruch I₁ dadurch

gekennzeichnet, daß die Kolbenstange einen mit den

Wärme Dichtringanordnungen zusammenwirkenden und/aus dem Kontaktbereich von Kolbenstange und Dichtung abführenden, die Kolbenstange vor Verschleiß schützenden, selbstschmierenden Überzug (42) trägt.

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3) Kolbenstangendichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Abstand voneinander aufweisenden, aus selbstschmierendem Werkstoff bestehenden, mit der Kolbenstange zur stetigen Ablagerung eines selbst— schmierenden Werkstoffs zusaminmenwirkenden Schmierringen (50) vorgesehen ist.
k) Kolbenstangendichtung nach Anspruch 2 oder 3> dadurch gekennzeichnet, daü Einrichtungen (56) vorgesehen sind, die einen kontrollierten Leckstroin von dem Konipressionsraum an den Schmierringen vorbei gestatten, die so ausgeführt sind, daß kein wesentlicher Druckabfall an diesen stattfindet₀
5) Kolbenstangendichtung nach einem der Ansprüche 1 - k_t dadurch gekennzeichnet, daß jede der Dichtringanordnungen einen Dichtungsring (38) und einen diesen flankierenden Stützring (40) umfaßt, wobei der Stützring, der ein Herausquetschen des Dichtungsrings unter der Wirkung der Kolbenstange verhindert, in Strömungsrichtung der Druckflüssigkeit gesehen hinter dem Dichtungsring angeordnet ist.
6) Kolbenstangendichtung nach einem der Ansprüohe 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen vorgesehen sind, die die Zirkulation eines Kühlmediums durch die Dichtung zur Verminderung von deren Betriebstemperatur gestatten.

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7) Kolbenstangendichtung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß in der Kolbenstange eine Höhlung (72) vorgesehen ist, in der ein Stoff (74) mit guten Wärmeübertragungseigenschaften angeordnet ist, der von der Dichtung Wärme zur Verminderung von deren Betriebstemperatur ableitet.

δ) Kolbenstangendichtung nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Herbeiführung eines kontrollierten Leckstroms derart bemessen sind, daß sich an jeder der Dicht— ringanordnungen ein im wesentlichen gleicher Druckabfall einstellt.

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