DE2644533B2 - Starrer und im wesentlichen unverformbarer Kolben insbesondere für Hochdruckverdichter sowie Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen starren im wesentlichen unverformbaren Kolben insbesondere für Hochdruckverdichter, mit Kreisquerschnitt sowie mit einer den Durchmesser um ein vielfaches übersteigenden Länge, bei dem ein rohrförmiger Kolbenmittelteil beiderends mit Kolbenendteilen besetzt ist, von denen der eine Endteil den Kolbenmittelteil durchgreift, der mit dem anderen Endteil über eine Verschraubung verbunden ist.

Durch die DE-PS 3 31951 ist ein Kolben für Säurepumpen bekannt, bei dem ein Porzellanmantel auf einen Eisenkern aufgezogen ist und die Verbindungsfläche zwischen dem Porzellanmantel und dem Eisenkern mit einem Zement ausgegossen ist. In Axialrichtung wird der Porzellanmantel auf dem Eisenkern zusätzlich durch Kolbenendteile festgehalten, von denen der eine als eine. Erweiterung des Eisenkerns ausgebildet ist, während der andere als in den Eisenkern eingeschraubte Endkappe gestaltet ist Ein solcher Kolben ist für die Verwendung in Hochdruckverdichtern schon aufgrund seiner Materialzusammensetzung nicht geeignet, da die beim Verdichtungsvorgang auftretende Wärme wegen der unterschiedlicher Eigenschaften der verwendeten Materialien zu beträchtlichen Spannungen führt Darüber hinaus müssen die Kolben für Hochdruckkolbenverdichter, mit denen ein zu verdichtendes Medium in

ίο einer Stufe komprimiert werden soll, eine beträchtliche Länge bei vergleichsweise kleinem Durchmesser haben. Zu Beginn des Verdichtungshubes liegt dadurch ein sehr langer Kolbenabschnitt unabgestützt außerhalb des Verdichtungszylinders. Die gebräuchlichen Kolben für

is Hochdruckverdichter biegen sich dadurch vor allem zu Beginn des Verdichtungshubes immer wieder durch, wodurch eine Erhöhang des Kolbenverschleißes eintritt außerdem die Dichtungen zwischen dem Kolben und dem Zylinder nicht mehr einwandfrei arbeiten und Kolbenbrüche im ungestützen Längenabschnitt auftreten können. Kolbenbrüche bei Hochdruckverdichtern sind aber für die Umgebung bekanntermaßen sehr gefährlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen starren und im wesentlichen unverformbaren Kolben der eingangs beschriebenen Art insbesondere für Hochdruck-Kolbenverdichter zu schaffen, der selbst bei extremer freiliegender Länge und hohen Druckbelastungen beim Verdichtungshub keine spürbare und für den Betrieb nachteilige Durchbiegung erfährt und eine hohe Verschleißfestigkeit besitzt.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Kolbenmittelteil als tragender Kolbenbauteil aus gesintertem Karbid-Hartmetall besteht und der den Kolbenmittelteil durchgreifende Abschnitt des einen Endteiles als Zuganker ausgebildet ist, daß am kompressionsseitigen Ende eine Abdichtung zwischen dem zugehörigen Endteil und dem Kolbenmittelteil vorgesehen ist und daß der Kolbeninnenraum am anderen Ende eine Entlüftungsöffnung aufweist.

Bei dieser Ausbildung stellt der aus Karbid-Hartmetall gebildete Kolbenmittelteil das tragende Bauelement dar, wodurch der Kolben eine hohe Steifigkeit und eine hohe Verschleißfestigkeit erhält. Dieser sehr steife

■45 Kolbenmittelteil wird durch die Endteile, von denen der eine durch den Kolbenmittelteil hindurch greift, in Art eines Zugankers eingespannt, so daß auch die Anschlußteile, die zum stirnseitigen Abschluß des Kolbens und zur Verbindung mit einem Antriebsteil ausgebildet sind, fest in den Kolbenmittelteil integriert werden. Der mittlere Kolbenabschnitt sitzt dabei dicht an der Endkappe, wobei trotzdem noch durchfließendes Verdichtungsmedium durch eine Entlüftungsöffnung abströmen kann, um Beschädigung des Kolbenmittelteils zu vermeiden. Der Kolben ist außerdem sehr wirtschaftlich herstellbar, da die Verwendung des vergleichsweise teuren und schwer bearbeitbaren Hartmetalls auf den Kolbenmittelteil beschränkt bleiben kann, während die Endteiie, die auch in der Regel einer besonderen Bearbeitung bedürfen, aus einem preiswerteren und hierfür geeigneteren Material wie beispielsweise Stahl hergestellt werden kann.

Vorteilhafterweise ist zwischen dem am kompressionsseitigen Ende vorgesehenen Endteil und dem benachbarten Ende des Kolbenmittelteiles ein ringförmiger Hohlraum ausgebildet, in dem eine Metalldichtung angeordnet ist. Durch diese Anordnung einer Metalldichtung läßt sich das Eindringen von Gas in den

Kolbeninnenraum beim Verdichtungshub wirksam unterbinden, wobei diese Art der Dichtung den am kompressionsseitigen Ende auftretenden Drücken und Temperaturen auch über lange Zeiträume gewachsen ist

Es ist außerdem vorteilhaft, daß die entgegengesetzten Enden des rohrförmigen Kolbenmittelteils nach innen hin konisch verlaufen und die Kolbenendteile in den Anlagebereichen an den Enden des K.olbenmittelteils mit einer komplementären Form ausgebildet sind. Auf dieti Weise werden die Endkappen beim Zusammenbau des Kolbens selbsttätig auf das rohrförmige Element zentriert

Das gesinterte Karbid-Hartmetall, aus dem der Kolbenmittelteii besteht ist vorzugsweise gesintertes Wolframkarbid. Dieses verleiht dem Kolbenmittelteil die günstigsten Stabilitäts- und Verschleißfestigkeitseigenschaften.

Bei der Herstellung des Kolbens empfiehlt es sich, auf dem Kolbenmittelteil aus gesintertem Hartmetall die Kolbenendteile anzusetzen und fingerfest miteinander zu verschrauben, die Kolbeneinheit dann in einen Ofen einzusetzen und auf etwa 200° C zu erwärmen, dann nach Erreichen der vorgesehenen Erwärmungstemperatur mit einem Drehwerkzeug die Kolbenendteile fest 2s miteinander zu verschrauben und schließlich die Einheit wieder auf Raumtemepratur abzukühlen. Durch diese Verfahrensweise wird eine gute Verspannung der Kolbenendteile mit dem aus gesintertem Karbid-Hartmetall bestehenden Kolbenmittelteil erreicht, die allen auftretenden Belastungen gewachsen sind, ohne daß dabei die Endteile und der zugehörige, als Zuganker wirkende Abschnitt der den Kolbenmittelteil aus Karbid-Hartmetall durchgreift übermäßig belastet oder bleibend verformt werden.

Im folgenden werden Aufbau und Wirkungsweise eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine aufgeschnittene Teildarstellung einer Kolben-Zylinderanordnung,

F i g. 2 eine teilweise aufgeschnittene detaillierte Darstellung des Kolbenaufbaus,

F i g. 3 einen Querschnitt entsprechend der Schnittlinie IH-III der F ig. 2,

F i g. 4 eine vergrößerte Darstellung des in F i g. 2 gezeigten zusammendrückbaren Metalldichtringes.

In der F i g. 1 ist ein hochfester Zylinder mit dem Bezugszeichen 10 gekennzeichnet, der eine Kompressionskammer 12, ein Einlaßmittel 14 und ein Auslaßmittel 16 aufweist. Die Kompressionskammer 12 ist in ihrem rückwärtigen Bereich, in dem der Kolben 20 in seiner ersten Stellung liegend dargestellt ist, mit Dichtungen 18 versehen. Der Kolben 20 ist an seinem Ende 22 mit einem geradlinig hin- und hergehenden Antrieb verbunden, so daß er zwischen der in der f i g. 1 gezeigten ersten Stellung und der ebenfalls in der F i g. 1 am vorderen Ende der Kompressionskammer 12 in gestrichelter Linie eingezeichneten zweiten Stellung vorgeschoben und wieder zurückgezogen werdeii kanu.

Die Arbeitsweise der dargestellten Kolben-Zylinderanordnung ist folgende. Bei in der ersten Stellung befindlichem Kolben 20 wird Gas durch den Einlaß 14 der Kompressionskammer 12 zugeführt. Danach kann ein nicht dargestelltes Ventil am Einlaß 14 zum Einschluß des Gases in der Kompressionskammer 12 geschlossen werden. Der Auslaß 16 ist normalerweise mit einem nicht dargestellten Rückschlagventil versehen, das eine Gasströmung nur in einer Richtung gestattet und das Ausströmen von Gas aus der Kompressionskammer durch den Auslaß 16 nur dann zuläßt, wenn das Gas den erwünschten oder vorbestimmten Druck erreicht hat

Wenn die Druckkammer 12 mit Gas gefüllt ist wild der Kolben 20 in seine zweite Stellung vorgeschoben und dadurch das Gas bis zu einem vorbestimmten höheren Gasdruck verdichtet woraufhin es durch den Auslaß 16 in eine zweite nicht dargestellte Kompressionskammer ausströmt Die dargestellte, besondere Verdichtungsstufe kann nur eine von mehreren Verdichtungsstufen sein, die das Gas durchläuft

Die in Verbindung mit der dargestellten und vorangehend beschriebenen Kolben-Zylindervorrichtung auftretenden Probleme entstehen vor allem dadurch, daß das Kolbenglied 20 zu allererst einen Außendurchmesser haben muß, der eine enge Passung mit dem Innendurchmesser der Kompressionskammer 12 ermöglicht und das dem während der Hin- und Herbewegung durch die Dichtungen 18 bewirkten Verschleiß widerstehen muß.

Infolge des hohen Gasdrucks in der Kompressionskammer 12 wird außerdem eine Axialkraft wirksam, die den Kolben 20 unabhängig von seinen Materialeigenschaften zusammenzudrücken und auszubauchen sucht wodurch der Kolben bei der Bewegung zwischen der ersten und der zweiten Stellung am Innenumfang der Kompressionskammer 12 festklemmen kann. Darüber hinaus ist in dem ungestützen Längsabschnitt 24, der zwischen dem rückwärtigen Ende 11 des verstärkten Druckzylinders 10 und dem zur triebschlüssigen Verbindung an eine Antriebskraftquelle ausgebildeten Ende 22 liegt eine extreme Steifigkeit des Kolbens 20 erforderlich.

Wenn der Kolben 20 nicht extrem starr ausgebildet ist, neigt der ungestützte Längsabschnitt zu einer Ausbiegung aus der axialen Ausrichtung mit der Kompressionskammer 12, was entweder einen Verschleiß der rückwärtigen Innenwandbereich der Kompressionskammer 12 oder eine katastrophale Beschädigung des Kolbens durch einen Kolbenbruch oder Kolbenriß zur Folge hat

In der Fig.2 ist ein Kolben dargestellt, der für Kompressionskammern 12 mit größerem Durchmesser oder für Fälle bestimmt ist, in denen die Herstellung eines einstückigen Kolbens 20 aus hochverschleißfestem Material nicht möglich ist. In der F i g. 2 ist der Kolben 20 mit einer rückwärtigen Endkappe 26 und einer vorderen Endkappe 28 sowie mit einem die Endkappe 26 und 28 verbindenden Abschnitt 30 versehen dargestellt Das aus einem hochverschleißfesten Material hergestellte rohrförmige Element 32 besitzt gegenüberliegende Enden, die zum Ansatz der Endkappen 26 und 28 ausgebildet sind.

Die vordere Endanlagefläche 34 liegt einem vergrößerten Kopfteil 36 der Endkappe 28 an, wobei zwischen der Endkappe 28 und dem rohrförmigen Element 32 eine aus einem zusammendrückbaren Metallring gebildete Dichtung 38 eingefügt ist. Die rückwärtige Endkappe 26 ist mit dem Anschlußbereich 22 versehen, der der triebschlüssigen Verbindung des Kolbens 20 mit einem Antriebs zur hin- und hergehenden Bewegung dient. Der die Endkappen 26 und 28 miteinander verbindende Abschnitt 30 ist hier als ein sich von der rückwärtigen Endkappe 26 nach vorn erstreckender Bereich mit verringertem Durchmesser dargestellt, der durch eine Schraubverbindung mit der vorderen Endkappe 28 vereinigt ist. Durch die Schraubverbin-

dung wird das rohrförmige Element zwischen und im Zusammenwirken mit den Endkappen 26 und 28 unter Druckspannung gehalten, wodurch eine extreme Steifigkeit und Festigkeit des Kolbens 20 erreicht wird.

Durch die vordere Endkappe 28 erstreckt sich ein Durchbruch 44, der mit einer gleichartigen öffnung 46 im vorderen Ende des Verbindungsabschnittes 30 fluchtet. In den Durchbruch 44 ist ein Paßstift 48 mit Festsitz so eingefügt, daß er sowohl in diesen Durchbruch als auch in die öffnung 46 eingrieft. Unmittelbar über dem Paßstift 48 ist in den Durchbruch 44 ein Messingbolzen 50 ebenfalls in einer Festsitzpassung eingesetzt, der als Dichtung zwischen dem hochkomprimierten Gas in der Kompressionskammer !2 und dem Innenraum des rohrförmigen Elementes dient.

Die öffnung 45 ist so gestaltet, daß ein Schraubwerkzeug in diese und die öffnung 44 eingreifen kann, mit dem die Endkappe 28 bei dem Zusammebau des Kolbens 20 drehbar ist. Das rohrförmige Element 32 ist an seinem Innenumfang im Bereich der mit den Endkappen 26 und 28 zusammenwirkenden Enden mit den Führungsdurchmessern 52 und 54 ausgebildet, so daß die Außendurchmesser des rohrförmigen Elementes 32 und der Endkappen 26 und 18 beim Eingriff ineinander sehr genau zueinander ausgerichtet werden. Die aneinanderstoßenden Schultern zwischen den Endkappen und dem rohrförmigen Element sind zudem konisch gestaltet, so daß sich beim Spannen des rohrförmigen Elementes durch die Endkappen 28 und 26 eine Selbstzentrierung ergibt

Die Außendurchmesser der rückwärtigen Endkappe 26 des rohrförmigen Elementes 32 und der vorderen Endkappe 28 sind so gewählt, daß sie bei der Verspannung des rohrförmigen Elementes 32 durch die Endkappen 26 und 28 mit Abweichungen von nur einigen Zehntausendstel voneinander im wesentlichen gleich sind, wobei die Teile so bündig wie möglich aneinander anschließen. Die vordere Endkappe 28 ist mit einer geringfügigen nach vorn und radial nach innen gerichteter, Neigung versehen, so daß der Kolben 20 bei der Einführung in die Kompressionskammer 12 die Dichtungen 18 aufweitet, damit sie ohne Beschädigung über die vordere Endkappe 28 hinweggleiten können.

Wenn der Kolben 20 in die Kompressionskammer 12 eingefügt ist, gleiten die Dichtungen 18 bei der hin und hergehenden Kolbenbewegung zwischen der ersten und zweiten Kolbenstellung auf dem Außendurchmesser des rohrförmigen Elementes 32. Die Dichtungen 18 brauchen dann während des Betriebs nicht mohr über die an das rohrförmige Element anschließenden Flächen der Endkappen 26 und 28 zu gleiten. Die emzige Möglichkeit, bei der die Dichtungen 18 über die Stoßstellen der Endkappenoberflächen mit der Oberfläche des rohrförmigen Elementes gleiten müssen, ergibt sich beim Zusammenbau und Auseinanderbau des Kolbens 20 und des verstärkten Zylinders 10.

Die Herstellung des Kolbens 20 umfaßt die Bildung des rohrförmigen Elementes 32 aus einem hochverschleißfesten Material wie gesintertem Karbidhartmetall. Das Endkappenglied 26 ist demgegenüber aus einem Stahl hergestellt und besitzt ein rückwärtiges Ende 22, das zur triebschlüssigen Verbindung mit einem Kraftantrieb ausgebildet ist, während auf der dem Ende 22 gegenüberliegenden Seite das Mittel 30 zur Verbindung der Kappen durch einen von der Kappe 26 nach vorn abstehenden Fortsatz mit verringertem Durchmesser gebildet ist. Am vorderen Ende dieses Fortsatzes ist ein Schraubengewinde ausgebildet, das eine Schraubverbindung mit dem Endkappenglied 2f ermöglicht.

Das Endkappenglied 28 ist ebenfalls aus Stah hergestellt. Das gesinderte Karbidhartmetall besitzi einen kleineren thermischen Ausdehnungskoeffizienter als der verwendete Stahl, so daß der Kolben 20 wie folg zusammengebaut werden kann.

ίο Das rohrförmige Element 32 wird nach unten übei den Fortsatz der Endkappe 26 geschoben, bis er ir Anlage an das Endkappenelement 26 gelangt, woraufhii dann das Endkappenglied 28 in das rohrförmig« Element 32 eingesetzt und auf den Fortsatz dei Endkappe 26 so weit aufgeschraubt wird, bis er sich den anderen Ende des rohrförmigen Elementes 32 anlegt Die Endkappe 28 wird fingerfest angezogen, so daß da; rohrförmige Element 32 zu diesem Zeitpunkt zwischer den Endkappen noch nicht unter Spannung gehalten ist.

Die gesamte, aus den Endkappen 26 und 28 und den rohrförmigen Glied 32 bestehende Baueinheit wire dann in einen Ofen eingesetzt und, während es au einem Gestell in dem Ofen ruht, auf etwa 200⁰C erhitzt Infolge der unterschiedlichen thermischen Ausdeh nungskoeffizienten zwischen dem gesinterten Karbid hartmetall und dem Stahl dehnt sich der Fortsatz dei Endkappe 26 in Längsrichtung weiter aus als da! rohrförmige Element 32 aus gesintertem Karbidhartme tall.

Sobald die Baueinheit die erhöhte Temperatur vor etwa 200° C erreicht hat, wird ein Schraubwerkzeug ir den an der Vorderfläche der Endkappe 28 ausgebildeter öffnungen angesetzt und die Endkappe 28 dann weitei auf den Fortsatz der Endkappe 26 aufgeschraubt, bis dai rohrförmige Element 32 mit einer bestimmten Druck kraft belastet wird. Die Baueinheit wird dann wieder au Raumtemperatur abgekühlt, wobei der Fortsatz dei Kappe 26 um ein größeres Längenmaß schrumpft all das rohrförmige Element 32, so daß auf diese Weise eine bestimmte Druckkraft auf das rohrförmige Element 3Ί ausgeübt wird.

An diesem Punkt wird durch den Durchbruch 44 eir Bohrer geführt und ein mit dem Durchbruch 4^ fluchtendes Loch 48 gebohrt Der Bohrer wird danr zurückgezogen und der Paßstift 46 soweit in der Durchbruch 44 eingeführt, daß er in den vorderer Bereich des Verbindungsmittels 30 eingreift. In Anschluß daran wird in den Durchbruch 44 noch eir Messingbolzen 50 eingefügt, der eine Abdichtung dei Durchbruchs 44 bildet In der Fig.3 ist ein dei Schnittlinie III-III in F i g. 2 entsprechender Querschnit dargestellt. Dieser Querschnitt läßt die öffnunj zwischen der Rückwärtigen Endkappe und den rohrförmiger Element 32 erkennen. Wie bereit:

erwähnt wurde, dient diese Öffnung der Druckentla stung des Innenraums des rohrförmigen Elementes 32 falls dort ein Druck entstehen sollte.

Die Fig.4 zeigt eine vergrößerte Darstellung dei verformbaren Metalldichtung .18, die zwischen den rohrförmigen Element 32 und der vorderen Endkappt 28 angeordnet ist' Die verformbare Metalldichtung 3) ist als Hohlring ausgebildet, der auf seiner Außenseiti eine öffnung besitzt, so daß durch die Anlageflächei austretendes Druckgas in den verformbaren Hohlrinj gelangt und diesen unter Verbesserung der Dichtunj weiter aufweitet

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Starrer und im wesentlichen unverformbarer Kolben insbesondere für Hochdruckverdichter, mit Kreisquerschnitt sowie mit einer den Durchmesser um ein Vielfaches übersteigenden Länge, bei dem ein rohrförmiger Kolbenmittelteil beiderends mit Kolbenendteilen besetzt ist, von denen der eine Endteil den Kolbenmittelteil durchgreift, der mit dem anderen Endteil über eine Verschraubung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenmittelteil (32) als tragender Kolbenbauteil aus gesintertem Karbid-Hartmetall und der den Kolbenmittelteil durchgreifende Abschnitt (30) des einen Endteils (26) als Zuganker ausgebildet ist, daß ferner am kompressionsseitigen Ende eine Abdichtung zwischen dem zugehörigen Endteil {28) und dem Kolbenmittelteil vorgesehen ist und daß der Kolbeninnenraum am außenseitigen Endteil (26) eine Entlüftungsöffnung (51) aufweist

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem am kompressionsseitigen Ende vorgesehenen Endteil (28) und dem benachbarten Ende des Kolbenmittelteils (32) ein ringförmiger Hohlraum ausgebildet ist, in dem eine Metalldichtung (38) angeordnet ist

3. Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die entgegengesetzten Enden des rohrförmigen Kolbenmittelteils (32) nach innen hin konisch verlaufen und die Kolbenendteile (26,28) in den Anlagebereichen an den Enden des Kolbenmittelteils mit einer komplementären Form ausgebildet sind.

4. Kolben nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das gesinterte Karbid-Hartmetall, aus dem der Kolbenmittelteil besteht, gesintertes Wolframkarbid ist.

5. Verfahren zur Herstellung eines Kolbens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Kolbenmittelteil (32) aus gesintertem Hartmetall die Kolbenendteile (26, 28) angesetzt und fingerfest miteinander verschraubt werden, die Kolbeneinheit dann in einen Ofen eingesetzt und auf etwa 200° C erwärmt wird, dann nach Erreichen der vorgesehenen Erwärmungstemperatur mit einem Drehwerkzeug die Kolbenendteile fest miteinander verschraubt werden und schließlich die Einheit wieder auf Raumtemperatur abgekühlt wird.