-
Trennkolben für hydropneumatische Energiespeicher Die Erfindung bezieht
sich auf einen Trennkolben für hydropneumatische Energiespeicher mit wenigstens
einer zwischen Kolben und Druckbehälter angeordneten Dichtung, welche durch eine
Vorspannung zusätzlich zu der vom jeweiligen Be;triebsdruck bewirkten Anpressung
an die Behälterwandung angepresst wird.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen derartigen Trennkolben
zu verbessern. Die Erfahrung hat gezeigt, dass
insbesondere Trennkolben
mit. Lö sungsmittelkammer eine einwandfreie. Abdichtung zwischen Druckflüssigkeit
und Druckgas bewirken, wenn die Druckflüssigkeit zügig und weitgehend schwingungsfrei
aus einem solchen Speicher entnommen wird.
-
In vielen Hydraulik-Anlagen erfolgt jedoch die Entnahme von Druckflüssigkeit
aus dem Speicher sehr schlagartig, ungedrosselt und begleitet von Druckschwingungen.
Hierbei wird der entsprechende Trennkolben aus seiner Ruhelage sehr stark in Richtung
Flüssigkeitsraum beschleunigt, wobei jedoch die resultierende Beschleunigung der
die Dichtung abstützenden Kolbenteile zeitlich gesehen unterschiedlich gross ist.
-
Bei einem bekannten Trennkolben wird z*Bo das die Dichtung flüssigkeitsseitig
abstützende Kolbenteil bei entsprechender Druckabsenkung im Flüssigkeitsraum des
Speichers sofort aufgrund der Druckdifferenz zwischen Gas- und Flüssigkeitsseite
des Speichers sowie der entsprechenden Dichtungsvorspannung stark beschleunigt,
während eine Beschleunigung des die Dichtung gasseitig abstützenden Kolbenteils
erst erfolgt, wenn die Dichtungs-Haftreibung überwunden ist.
-
Durch diesen Vorgang wird die ursprünglich nur von der Federkraft
vorgegebene zusätzliche Dichtungspressung stark herabgesetzt,
und
zwar zu einem Zeitpunkt, an dem der Differenzdruck zwischen Gas- und Flüssigkeitsseite
des Speichers erhebliche Werte erreicht. Kurzzeitige, doch sich ständig wieder-l
holende Gasverluste können bei normaler Vorspannung der die Dichtung zusätzlich
an die Speicherwandung anpressenden Feder hierbei nicht vermieden werden0 Eine extrem
hohe, den Pressungsverlust an der Dichtung berücksichtigende Federvorspannung führt
jedoch zu starken Reibungsverlusten und Dichtungsverschleiß und ist ohnehin bei
üblichen Trennkolben aufgrund der hier vorliegenden konstruktiven Gegebenheiten
mit normalen Druckfedern nicht darstellbar.
-
Wird ein Speicher mit einem solchen Trennkolben längere Zelt ohne
Flüssigkeitsdruck, jedoch mit vorgespannter Gasfüllung gelagert, so treten ebenfalls
Gasverluste auf, da in diesem Falle der Differenzdruck zwischen Gas- und Flüssigkeitsseite
des Trennkolbens besonders gross ist und üblicherweise ein Vielfaches des sich während
des Betriebes eines Speichers ergebenden Differenzdruckes erreicht, während die
zusätzliche Vorspannung der Dichtung aufgrund der gleichbleibenden Federkraft bei
der Lagerung des Speichers mit drucklosem Flüssigkeitsraum gegenüber dem Betriebszustand
nicht erhöht wird.
-
Es wurde ein weiterer Treunkolben für hydropneumatische Energiespeicher
bekannt, bbi dem das, die Dichtung gasseitig abstützende, Kolbenteil auf seiner
ganzen, nicht von der Dichtung beaufschlagten und dem Flüssigkeitsraum zugekehrten,
Fläche vom Flüssigkeits-druck unmittelbar beaufschlagt wird0 Bei diesem Trennkolben
bleibt auch bei hoher Beschleunigung aufgrund ungedrosselter Flüssigkeitsentnahme
aus dem Speicher die einwandfreie Dichtigkeit der gasseitigen Dichtung erhalten,
da hier die aus dem entsprechenden Differenzdruck resultierende, auf das die Dichtung
gasseitig abstützende Kolbenteil wirkende, Beschleunigungskraft so lange durch höhere
Dichtungspressung aufgenommen wird, bis auch die Haftreibung dieser Dichtung überwunden
ist.
-
Nachteilig bei diesem Kolben ist jedoch., dass auch hier bei einer
Lagerung des Speichers mit drucklosem Flüssigkeitsraum die zusätzliche Dichtungsvorspannung
gegenüber dem Betriebszustand unverändert bleibt, so dass auch hier Gasverluste
unvermeidbar sindo Weiterhin wurde als nachteilig festgestellt, dass bei - wie funktionsmassig
vorgesehen - völlig gefüllter Kammer zwischen gas- und flüssigkeitsseitiger Dichtung
aufgrund einer
hier fehlenden Druckabsicherung die Dichtungspressung-so
hohe Werte annehmen kann, dass ein Speicherbetrieb bei niedrigen Betriebsdrücken
nicht mehr gewährleistet: wird, da der Trennkolben blockiert werden kann0 Bei weiteren
bekannten Trennkolben wird nur ein Teil der nicht von der entsprechenden Dichtung
beaufschlagten, der Blüssigkeitsseite des Speichers zugewandten Fläche des die Dichtung
gasseitig abstützenden Kolbenteils unmittelbar vom jeweiligen Flüssigkeitsdruck
beaufschlagt bzw0 es wird eine elastische Membrane zwischen Gas- und Flüssigkeitsseite
des Drennkolbens eingesetzt0 Auch hier sind jedoch keine Lösungen bekanntgeworden,
die einerseits eine genügende Dichtungspressung bei Beschleunigung des Trennkolbens
und andererseits eine optimale Dichtungspressung bei der Lagerung von nur mit Druckgas
vorgespannten Speichern bewirkens Bei bekanntgewordenen Trennkolben der oben genannten
Art wurde weiterhin festgestellt, dass bei bestimmten Betriebszuständen sich Fremd-
oder Abriebpaftikel zwischen die druckflüssigkeitsseitige, metallische Abstützung
der Trennkolbendichtung und die Behälterwandung einklemmen können, so dass
eine
Verriefung der entsprechenden Druckbehälterwandung mit nachfolgender Undichtigkeit
der Treunkolbendichtung entsteht.
-
Die Erfindung soll einen Trennkolben für hydropneumatische Energiespeicher
ergeben, der sowohl bei stossartiger Entnahme von Druckflüssigkeit aus dem Speicher
als auch bei Lagerung des Speichers mit drucklosem Blüssigkeits- und vorgespanntem
Druckgasraum eine einwandfreie Abdichtung des Speicher-Gasraumes ergibt, ein Einklemmen
von Fremdkörpern zwischen Trennkolben und Behälterwandung soll ausgeschlossen werden.
-
Weiterhin soll bei diesem Kolben vermieden werden, dass sich bei Anordnung
einer Drenamittelkammer in derselben ein überhöhter Druck aufbauen kann, der zur
Blockierung des Trennkolbens führen könnten Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe
dadurch gelöst, dass eine der beiden Hälften des Trennkolbens einen Druckausgleichskanal
enthält, der die der Druckflüssigkeitssete zugewandte Stirnfläche der druckgasseitigen
Hälfte des Trennkolbens unmittelbar und nur mit Ausnahme der direkt in die Druckflussigkeitsseite
hineinragenden und der von der Dichtung
beaufschlagten Fläche mit
dem Druck der Druckflüssigkeitsseite des Energiespeichers beaufschlagt, wobei die
drickflüssigkeitsseitige Hälfte des Trennkolbens mit einem Bund versehen ist, der
bei einer Lagerung des Speichers ohne Flüssigkeitsdruck, jedoch mit vorgespannter
Gasfüllung an den Speicherboden anliegt.
-
Ausserdem wird vorteilhafterweise eine Verbindungsbohrung zwischen
der Lösungs- oder Trennmittelkammer und dem Ringraum der vorgespannten Dichtung
vorgesehen, so dass ein unzulässig hoher Druck aus der Lösungs- oder rennmittelkammer
über die Verbindungsbohrung und den Druckausgleichskanal in die Druckflüssigkeitsseite
des Energiespeichers entweichen kann.
-
Durch die Anwendung des erfindungsgemässen Trennkolbens wird erreicht,
dass bei stossartiger Entnahme von Druckflüssigkeit aus dem Energiespeicher sofort
eine entsprechend grosse Beschleunigungskraft auf das die Dichtung gasseitig abstützende
Kolbenteil wirkt, so dass ein Pressungsverlust und eine daraus resultierende Undichtigkeit
sicher vermieden wird, weiterhin ergibt sich eine automatische Anpassung der Dichtungspressung
an den Zustand des Speichers, da bei Druckbeaufschlagung des Trennkolbens auf seiner
Flüssigkeits
- und Gasseite die zusätzliche Dichtungspressung überwiegend
nur von der Feder- oder/und Dichtungsvorspannung abhängt, während bei druckloser
Flüssigkeitsseite die Dichtungspressung sofort auf ein Vielfaches des jeweiligen
Gasdruckes ansteigt, wobei bei Treunkolben mit Lösungsmittelkammer, insbesondere
die gasseitige Dichtung mit einem Vielfachen des Gasdruckes angepresst wird und
daher eine Sättigung der in der Lösungskammer befindlichen Flüssigkeit mit Druckgas
sicher vermieden wird. Bei relativ geringer Federvorspannung bzw. entsprechend niedriger
Dichtungspressung und hoher Druckflächenübersetzung (gasbeaufschlagte Trennkolbenfläche/
Dichtungsfläche) wird hierdurch eine einwandfreie Dichtigkeit bei geringer Reibung
des Trennkolbens erzielt.
-
Ausserdem können sich wegen der Abstreifeinrichtung keine Fremdkörper
zwischen Kolben und Behälterwandung einklemmen und ein Blockieren des Trennkolbens
wird ebenfalls durch die Druckabsicherung der Lösungs- bzwO Treunmittelkammer sicher
vermieden.
-
In der Zeichnung stellen die Abbildungen 1 und 2 verschiedene Ausführungsformen
von Drennkolben für hydropneumaische Energiespeicher dar, wobei von dem jeweiligen
Druckbehälter nur ein Teilstück der Behälterwandung dargestellt ist.
-
Die Erfindung wird anhand der beiden Abbildungen näher erläutert,
In Abb. 1 ist mit 1 ein Teilstück des Druckbehälters eines
hydropneumatischen
Energiespeichers dargestellt, zwischen dessen Druckflüssigkeitsseite 2 und seiner
Druckgasseite 3 ein Trennkolben 4 dichtend und in Axialrichtung beweglich eingesetzt
ist. Der Körper des Trennkolbens 4 besteht aus einer druckflüssigkeitsseitigen Hälfte
5 und einer druck gasseitigen Hälfte 6, wobei zwischen beiden Hälften 5, 6 eine
Dichtung 7 angeordnet ist0 Die Dichtung 7 setzt sich beispielsweise zusammen aus
einem großvolumigen, elastischen oder plastischen Ringkörper 7a, zwei druckfesten
Stützringen 7b, 7c und einem eigentlichen Dichtring 7d, wobei zweckmässigerweise
wenigstens einer der Ringe 7b, 7@, 7d oder ein zwischen diesen Ringen angeordneter,
nicht dargestellter Zwischenring aus einem Werkstoff mit inkorporiertem Xrockenschmier-
oder Gleitmittel besteht.
-
Die druckgasseitige Hälfte 6 des Trennkolbens 4 weist druckflüssigkeitsseitig
einen Ansatz 8 auf1 an dessen äusserem Ende ein Sprengring 9 sowie eine Anschlagscheibe
10 angeordnet it.
-
Zwischen einer Schulter 11 der druckflüssigkeitsseitigen Kolbenhälfte
5 und der Anschlagsoheibe lo ist eine weitere Anschlagscheibe 12 sowie eine 1)ruokfeder
13 eingespannt.
-
Die druckflüssigkeitsseitige Kolbenhälfte 5 des Treunkolbens 4
besitzt
einen Bund 14, dessen Anschlagfläche 15 bei völliger Verschiebung des Treunkolbens
4 in Richtung Druckflüssigkeitsseite 2 an einer nicht dargestellten Begrenzung des
Druckbehälters 1 zur Anlage kommt.
-
Der Bund 14 der druckflüssigkeitsseitigen Kolbenhälfte 5 des Trennkolbens
4 trägt eine Abstreifeinrichtung 16, deren hbstreiflippe 17 an der Wandung des Druckbehälters
1 anliegt und in die Richtung der Druckflüssigkeitsseite 2 des hydropneumatischen
Energie speichers weist.
-
Die Dichtung 7 ist zweckmässigerweise an der Trennfuge 18 zwischen
den beiden Kolbenhälften 5, 6 mittels eines Ringes 19 abgestützt. Innerhalb der
druckflüssigkeitsseitigen Trennkolbenhälfte 5 bzw. der druckgasseitigen Kolbenhälfte
6 ist ein Druckausgleichskanal So bzw. 21 vorgesehen, so dass die der D truckflüs
s igke its seite 2 des hydropneumat is chen Energespeichers zugewandte Stirnfläche
22 der gasseitigen Kolbenhälfte 6 mit Ausnahme ihrer, von der Dichtung 7 beaufschlagten
Fläche 23 unmittelbar und völlig von dem jeweiligen Druck der Druckflüssigkeitsseite
2 des Energiespeichers beaufschlagt wird.
-
Eine @nem Lösungsmittel für die Betriebsflüssigkeit des En@@ speichers
oder mit einem anderen Trenungsmittel angefüllte
Kammer 24 ist
in den Trennkolben 4 eingearbeitet und wird nach aussen begrenzt durch die Wandung
des Druckbehälters 1 sowie abgediihtet.mittels der Dichtungen 7 und 25.
-
Zwischen der Kammer 24 und dem Ringraum der Dichtung 7 erstreckt sich
eine Verbindungsbohrung 26.
-
In Abb. 2 wurden für die entsprechenden Bauelemente gleiche Bezeichnungen
wie in Abbe 1 gewählt, so dass sich eine detaillierte Beschreibung der Abb. 2 erübrigt.
-
Die Funktion des Erfindungsgegenstandes wird anhand der Abb.
-
1 und Abb. 2 erläutert: Während des Betriebes eines hydropneumatisohen
Energiespeichers herrscht bei Vernachlässigung der Reibung des Trennkolbens 4 und
bei langsamer und zügiger Volumenänderung auf der Flüssigkeitsseite 2 des Speichers
auf beiden Seiten des Trennkolbens 4 d.h. in den Speicherseiten 2 und 3 der gleiche
Druck. Die Dichtung 7 wird wegen der Vorspannung der Druckfeder 13 ständig mit einer
über dem jeweiligen Betriebsdruck liegenden Pressung an die Wandung des Druokbehälters
1 angepresst. Der über dem Betriebsdruok liegende Pressungsanteil kann relativ gering
sein, da kein nennenswerter Differenzdruck zwischen den Behälterseiten 2 und 3 bzw.
zwischen
der Kammer 24 und der Druckgasseite 3 auftritt0 Bei einer
plötzlichen, stossartigen Entnahme von Flüssigkeit aus der Druckilüssigkeitsseite
2 des Speichers entsteht aufgrund der Trägheit des Trennkolbens 4 sowie der Reibung
der Dichtung 7 ein Differenzdruck zwischen den Seiten 2 und 3 des Speichers, wobei
der höhere Druck in der Druckgasseite 3 ansteht und der Treunkolben 4 in Richtung
der DruckSlüssigkeitsseite 2 beschleunigt wird0 Wegen der direkten gasseitigen Druckbeaufschlagung
der Kolbenhälfte 6 und der unmittelbaren flüssigkeitsseitigen Druckbe aufschlagung
der grösstmöglichen Fläche (gesamte Fläche 22 abzügl. Fläche 23) dieser die Dichtung
7 gasseitig abstützenden Kolbenhälfte 6 über den Druckausgleichskanal 20, 21 ergibt
sich hier eine hohe Beschleunigungskraft, die ihrerseits wiederum zu einer höheren
Pressung in der Dichtung 7 führt, da während der Beschleunigung anfänglich eine
entsprechende höhere Dichtungsreibung überwunden werden muss und auch die Dichtung
7 selbst beschleunigt wird. Diese höhere Pressung ist um so grösser, je höher der
Differenzdruck zwischen den Seiten 2 und 3 des Speichers und damit auch je höher
die jeweilige Beschleunigung des Trennkolbens 4 in Richtung Druckflüssigkeitsseite
2 des Speiahers ist.
-
Auf diese Weise wird bei dem erfindungsgemässen Trennkolben
erreicht
dass sich die Pressung der Dichtung 7 selbsttätig an den jeweiligen Differenzdruck
anpasst und damit beim Betrieb eines solchen Speichers unabhängig von der Art der
Blüssigkeitsentnahme eine einwandfreie Abdichtung bei geringstmöglicher Reibung
des Trennkolbens 4 ergibt Wird bei einem Speicher mit einem Trennkolben nach Abb.
1 oder Abb. 2 der Druck auf der Flüssigkeitsseite 2 abgelassen und auf der Gasseite
3 beibehalten, so verschiebt sich der Trennkolben 4 völlig in Richtung der Druckflüssigkeitsseite
2 des Speichers und der Bund 14 legt sich mit seiner Anschlagfläche 15 an den nicht
dargestellten Speicherboden bzw. an eine ebenfalls nicht dargestellte Begrenzung
des Druckbehälters 1 an. Bei diesem Speicherzustand ist die grösstmögliche, der
Druckflüssigkeitsseite 2 des Speichers zugewandte Fläche (gesamte Fläche 22 abzüglich
Fläche 23) der die Dichtung gasseitig abstützenden Kolbenhälfte 6 nicht abgestützt.
Da die auf die Dichtungspressung einwirkende Vorspannung der Druckfeder 13 sowie
die gasseitig Druckbeaufschlagung der Kolben hälfte 6 erhalten bleibt und die druckmittelseitige
Ahstützung der Kolbenhälfte 6 nur auf der von der Dichtung 7 beaufschlagten Fläche
23 erfolgt, ergibt sich bei diesem Speicherzustand eine extrem hohe Pressung der
Dichtung 7, so dass selbst eine hohe Gasvorspannung in der Druckgasseite 3 über
lange Zeit sicher abgedichtet wird.
-
Die in Richtung Druckflüssigkeitsseite 2 des Energiespeichers weisende
Abstreiflippe 17 der Abstreifeinrichtung 16 streift bei jeder Bewegung des Trennkobens
4 in Richtung der Druck flüssigkeitsseite 2 die aus der Hydraulik-Anlage stammenden
Fremdkörper von der entsprechenden Wandung des Druckbehälters 1 ab, bevor solche
Fremdkörper zwischen Behälterwandung und Trennkolben 4 eingeklemmt werden und zu
Riefenbildung und Dichtungsverschleiss führen können.
-
Ist bei einem Trennkolben nach Abb. 1 die Kammer 24 bei der Montage
oder aufgrund sonstiger Umstände völlig mit einem Lösungsmittel für die Betriebsflüssigkeit
oder einem anderen Trennmittel gefüllt worden, so erfolgt bei der betriebsmässigen
Erwärmung des Speichers eine Druckerhöhung in der Kammer 24. Der Druck in der Kammer
24 kann je nach Umständen und Füllungsgrad über den jeweiligen Druck in den Druckseiten
2 bzw. 3 ansteigen, da die Kammer 24 mittels der Dichtungen 7 und 25 von den Druckseiten
2, 3 abgetrennt iEt0 Die entspreche Abb. 1 vorgesehene Verbindungsbohrung 26 bewirkt
eine ittelbare Druckbeaufschlagung des Ringes 19 und damit auch der Dichtung 7 mit
dem Druck der Kammer 24.
-
übersteigt nun der Druck in der Kammer 24 den jeweiligen Betriebsdruck
in den Seiten 2 und 3 um eine bestimmte, konstruktiv
festgelegte
Grösse, so wird die druckgasseitige Hälfte 6 des Trennkolbens 4 relativ zu der entsprechenden
druckflüssigkeitsseitigen Hälfte 5 aufgrund des übermässigen Druckes in der Kammer
24 und der damit zusammenhängenden erhöhten Pressung in der Dichtung 7 entgegen
der Kraft der Druckfeder 13 in Richtung der Druckgasseite 3 verschoben.
-
Hierbei kann der übermässige Druck aus der Kammer 24 über die Verbindungsbohrung
26, die Trennfuge 18 und den Druckausgleichskanal 20, 21 in die Druckflüssigkeitsseite
2 des hydropneumatischen energiespeichers entweichen, wodurch ein Blockieren des
Trennkolbens 4 wegen in Bezug auf den jeweiligen Betriebsdruck überhöhtem Druck
in der Kammer 24 und damit verbundener überhöhter Pressung der Dichtungen 7 und
25 sicher verhindert wird.
-
Die Erfindung beschränkt sich nicht nur auf die Äaisführungsbeispiele
entsprechend Abb. 1 und Abb. 2, insbesondere kann auch die mit einem Lösungs- oder
Trennmittel angefüllte Kammer 24 von zwei Dichtungen (ähnlich Dichtung 7) begrenzt
sein, wobei beispielsweise beide Dichtungen durch Federkraft und vom jeweiligen
Druck der Druckgasseite des bydropneumatischen Energiespeichers beaufschlagt sein
können.