DE1703936A1

DE1703936A1 - Kolbenlaufring bzw.-tragschuh

Info

Publication number: DE1703936A1
Application number: DE19681703936
Authority: DE
Inventors: Mickle Scott C
Original assignee: Cooper Industries LLC
Current assignee: Cooper Industries LLC
Priority date: 1967-08-08
Filing date: 1968-08-02
Publication date: 1972-02-24
Also published as: US3447427A; FR1576157A

Description

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Kolbenlaiifriag bzw. -tragschuli

Me Erfindung betrifft einen Eolbenleufring bzw. ^tragechuh für einen Kompreieor ait geradlinig hin- und herbewegtem Kolben, an dem über seine axiale !»finge wenigstens ein Druckring (Jtolbeisriag) zur Plihrung la Zylinder vorgesehen ist.

ompressoren mit geradlinig hin- und herbewegtem KoI- - im folgenden "Kolbenkompressoren" genannt - liegender Bauart, insbesondere v»n großem 7asÄungsvtrfcögen und grißer Leistung, ist ea notwendig, einen erheblichen IeIl des Gev/ichtes des Kolbens und dtr «ugeordneten Kurbelanordnung auf einem anderen Element ata den Kolbendruckringen und dem Kolben selbst zu tragen. In Kolbenkompressoren stehender Bauart muß eine geeignete Stabilisierung oder illhrung für Aon Kolben durch andere üächen als die der Kolbenringe Torgesehen soin. In nicht-geechraicrcen I-olbenkOtapressoreu

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v/urden bestimmte Materialien mit niedrigem Rcibungswert, beispielsweise gefüllte Tetrafluoräthjlenpolymerisate, mit gewissem Erfolg für die Herstellung von diesen Läuferringen (engl. rider rings) verwandt, die im wesentlichen aus einem einstückigen Band eines Materials niedrigen Reibungswertes bestehen, das in eina IJut im Kolben eingebracht wird. He Hauptfunktion des Kolbenläuferringes besteht darin, das gesamte Kolbengewicht und einen Teil des Kolbenstangengewichtes zu tragen oder zu lagern und soll dabei bei dieser Auslegung nicht als Druckabdichtung oder Kompressionselement dienen.

Bei der Auslegung dieser Läuferringe oder Tragechuhe aus diesen relativ weichen Materialien mit niedrigem Reibungswert wurde besondere auf das richtige diaeetrale Laufspiel oder die Differenz zwischen Auöendurcheeseer des Laufringes und der Zylinderbohrung geachtet. Eina thermische Ausdehnung der Materialien von Kolben und Läuferring muß beim Auslegen eines Laufxingee beachtet werden» Da ee die Punktion des Lauf ringes ist, zu lagern oder zu führen und keine Druokabdlehtung zu schaffen, wurden bisherige Laufringe bewußt unterdimensioniert, um den Aufbau einer erheblichen Druckdifferenz über die Länge des Laufringes zu verhindern. Aufgrund der unterschiedlichen Arbeitstemperaturen, der Dichte der kompriaierten Gase etc. jedoch trafen eine Reihe

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von Versagern "bei Laufringen aufgrund des unsureieilenden Diametralspieles auf, was zu einem Druckauf "bau an einem Ende des Laufringes führt, wodurch somit das relativ weiche Material mit niedrigem Heibungswert gegen das niederdrückende gedrückt wurde. Dies führt su einem Aufweiten und Zunahme in der Iladialabmessung (druckerzeugt) was schließlich 7,Vi einem Versagen des Lauf ringes führt.

Die Zunahme im Diametralspiel, die vorgenommen werden kann, um solches Versr.gen zu verhindern, ist "begrenzt, da, während das Diametralspiel sunimnt, die Lage des Kolbens notwendigerweise um die Hälfte der Zunahme des Diametralspieles fällt. Ein mit übermäßigem Spiel ausgelegter Laufring versagt der Lagerung des Kolbens in der Hitte des Zylinders und vermindert auch die wirksame radiale Dicke des Laufringes, so dai? es notwendig wird, den Durchmesser des Kolbens selbst zu reduzieren, was zu einer vollständigen Änderung in der Kompressorauslegung führt. Das Auftreten des Problems besteht also darin, die optimale Laufringgröße zu wählen, die (1) groß genug wäre, um den Kolben richtig zu lagern und (2) klein genug wäre, das Entstehen von Druckdifferenzen über die Länge des Laufringes zu verhindern, was schließlich zu dessen Versagen führt. Wie vorher bereits erwähnt, ist es beim Verdichten verschiedener Gase

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mit unterschiedlicher Dichte bei sich ändernden Drücken und Kolbenoberflächengeschwindigkeiten schwierig, wenn nicht unmöglich, einen zufriedenstellenden Kompromiß bei der Auslegung mit den bekannten Laufringen zu finden.

Um diese Schwierigkeiten bei der Auslegung zu überwinden, wird erfindungsgemäß der Laufring bzw. -tragschuh im folgenden "Laufring" genannt, aus einer einteiligen Buchse eines Materials mit niedrigem Reibungswert hergestellt, der einen wirksamen Außendurchmesser bezogen auf den Zylinderdurchmesser aufweist, um den Kolben innerhalb des Zylinders in geeigneter Weise zu positionieren. Um ein thermisches "Wachsen" des Laufringes zu ermöglichen, ist ein diametrales Anfangslaufspiel notwendig, um das thermische Wachsen von Laufring und Kolben abhängig von dem Material, aus dem diese zusammengesetzt sind, zu ermögliche^. Bei einer Ausführungsform mit einem gußeisernen Kolben und einem Tetrafluoräthylenpolymerisat-Laufring wird ein Anfangslaufspiel von 0,0051 cm (0,002 ") pro Zoll (2,54 cm)Durchmesser + 0,013 cm (0,005 ") zugelassen. Solch ein Spiel wäre aber unzureichend, um ein Versagen bei einem üblichen Laufring der Buchsenhauart zu verhindern,

sich

hat/jedoch als zufriedenstellend für den verbesserten Laufring herausgestellt, bei dem eine Vielzahl von Nuten, die von einem ,Ende des Laufrings zum anderen verlaufen und im

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Abstand um den Umfang angeordnet sind, -vorgesehen sind.

Die Nuten-sind auf eine derartige radiale Tiefe ausgelegt, daß die Druckmittelverbindung durch die Nuten einen wesentlichen Druckaufbau -von einem Ende des Laufringes zum anderen verhindert. Schließlich verlaufen die Nuten in einer ^ Spiral- oder nicht-axialen Richtung um die Oberfläche des Laufringes. Diese Ausrichtung verhindert es, daß der Kolben am Boden herausarbeitet oder dauernd auf einer der Nuten ruht, wodurch dieser aus der gewünschten zentralen Lage herausgeführt würde. Anders ausgedrückt, jede der Nuten ist unter einem Winkel zur Achse des Laufringes und dessen Kolben angeordnet, derart, daß eine durch eine Nut gelegte axiale Linie Seile der Steg- oder Laufringaußenflache auf beiden Seiten der Nut schneidet. Offensichtlich kann ein Laufring dieser Ausbildung einen wirksamen Außendurchmes- ^f ser aufweisen, der ausreicht, um den Eolben richtig inner- ^; halb des Zylinders zu positionieren, gleichzeitig aber aufgrund eines entwickelten Druckunterschiedes nicht aufgrund der Nuten versagt, die dazu dienen, einen solchen Druckaufbau zu entlasten oder zu verhindern.

Der Laufring ist also aus einem Material mit niedrigem Reibungswert hergestellt und umfaßt ein innerhalb eines Ent-

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lastungsbereiches des Kolbens gehaltenes einteiliges Band. Der wirksame Außendurchmesser des Laufringes ist größer als der des Kolbens, derart, daß ein wesentlicher Teil des Gewichtes des Kolbens und seiner Kolbenstange ditrch den Laufring bei einer in liegender Bauar.t ausgeführten Maschine getragen wird. Die liefe der Nuten wird so gewählt, daß das Druckmittel durch diese treten kann und so den erwähnten Druckaufbau zwischen den Enden des Laufringes verhindern kann.

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung sollen nun anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert werden, in der

Figur 1 ein Querschnitt durch einen Kompressor liegender Bauart mit einem Zylinder und einem doppelt v/irkenden Kolben ist, wobei ein Paar der erfindungsgemäßen Laufringe oder Tragschuhe auf dem Kolben zu beiden Seiten der Druckringe angeordnet ist;

Figur 2 ist eine perspektivische Darstellung eines Laufringes nach der Erfindung;

Figur 3 ist ein Querschnitt durch den Laufring in Figur 2, längs der Linie 3-3 in Figur 2.

Figur 1 zeigt einen Teil eines Kompressors liegender Bauart im Querschnitt, dessen Kolben allgemein mit 10 bezeieh-

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net ist. Der Kolben ist mit einer Treibstange 11 verbunden, die ihrerseits mit einem nicht-dargestellten durch einen Antrieb bewegten Kreuzkopf verbunden ist. Der Kolben sitzt innerhalb eines Zylinders mit zwei Einlaßöffnungen und 13 und swei AusIaBöffnungen 14 und 15 an den Enden des Zylinders, wobei eine Einlaßsammelleitung 16 und eine Auslaßsaramelleitung 17 Sin- und Auslaßöffnungen jeweils verbinden. Die Konstruktion der Einlaß- und Auslaßsysteme bildet keinen Teil der Erfindung.

Der Kolben trägt eine Reihe von Druckringen 18 um seine axiale Mitte, wobei ein verbesserter Laufring bzw. Tragschuh nach der Erfindung an jedem Ende des Kolbens installiert und mit dem Bezugsjseichen R in Figur 1 bezeichnet ist. Wie Figur 1 zeigt, wird ein erheblicher Teil des Gewichtes des Kolbens 10 sowie der seiner Treibstange 11 durch die beiden Laufringe R an jedem Ende des Kolbens getragen.

Fach Figur 2 umfaßt der Laufring R eine einteilige Buchse aus Material niedriger Reibung, beispielsweise einem bronzegefüllten Polytetrafluoräthylen oder einem anderen geeigneten Material. Bei Verwendung eines einteiligen Laufringes besitzt Buchse oder Ring R einen Paßsitz mit ÜbermSß oder wird um ein bestimmtes Stück gedeht, derart, daß er auf den entlasteten Bereich oder die Nut im Kolben 10 paßt.

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Beispielsweise ist nach einer Ausführungsform der Innendurchmesser d des-Laufringes R derart gewählt, daß er eine vierprozentige Dehnung erfordert, um auf der Korbennut angeordnet zu werden.

Der mit D in den Figuren 2 und 3 bezeichnete Außendurchmesser des Laufringes R ist groß genug, um den Kolben in der gewünschten zentralen Lage innerhalb des Zylinders, wie vorher erwähnt, zu positionieren. Aufgrund der Wärmedehnung von Kolben und Laufring ist ein gewisses Diametralspiel, beispielsweise entsprechend der obengegebenen Formel vorgesehen. Durch die Verwendung der spiralförmigen oder schrägen Nuten im Laufring R nach der Erfindung ist diese Größe des Diametralspieles nicht mehr ein schwieriger Faktor bei der Auslegung.

Längs der Außenfläche des Laufringes R verlaufen eine Vielzahl von Nuten 19, die von einem Ende des Laufringes zum anderen reichen und die spiralförmig oder schräg zur Achse des Laufringes R angeordnet sind. Die !Tuten 19 verlaufen so schräg, daß eine beliebige, durch irgendeine solche Nut gelegte Axiallinie die erhabenen oder Stegteile auf beiden Seiten der Nut schneidet. So schneidet beispfelsweise die Linie X-X in Figur 2 Stege auf beiden Seiten der

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Nut 19 an Stellen, die durch die Bezugszeichen 20 und 21 bezeichnet sind. Dies ist ein wichtiger ϊ·ϋ der Erfindung, da durch die Verwendung von spiralförmigen oder schrägen Nuten die Möglichkeit ausgeschlossen wird, daß ein Laufring auf seinem Kolben 10 in eine Stellung gedreht wird, in der der Kolben am Boden ausgearbeitet wird oder auf der Nut ruht, wodurch der aus seiner gewünschten M zentralen Lage absinken würde. Unabängig -von der radialen liefe oder Umfangsbreite der Nuten 19 sjjebst somit können diese, wenn sie, wie angedeutet, spiralförmig oder schräg verlaufen, durch ihr Vorhandensein die untersützte Lage des Kolbens 10 nicht verändern.

Für einen besonderen Fall der Installation können die optimalen Mengen der Materialentfernung bzw. der Nutenfläche experimentell bestimmt werden und hängen von dem maximalen Differentialdruck abfall über die Kolbenanordnung, der "

Dichte, mit der das Gas komprimiert wird und den Saug- und Austragetemperaturen, der Oberflächengeschwindigkeit des Kolbens und der Möglichkeit, das Fremdmaterial!en in den Zylinder eindringen, ab.

Im Hinblick auf eine knappe Darstellung wurde die Erfindung nur anhand einer einzigen Ausführungsform erläutert; Änderungen und Abänderungen liegen im Rahmen der Erfindung.

Patentansprüche 209809/0486

Claims

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PATENTANSPRÜCHE

(li)Laufring oder Tragschuh für einen Kompressor liegender Bauart mit geradlinig hin- und herbewegtem Kolben, mit wenigstens einem Druckring am Kolben in einem Teil seiner axialen Länge, dadurch gekennzeichnet, daß der Laufring (R) innerhalb eines entlasteten Bereiches im Kolben angeordnet ist, wobei der entlastete Bereich und der Laufring im wesentlichen die gleiche Axiallänge und Axialabstand vom Druckring (18) aufweisen, derart, daß der Kolben (10) stabilisiert wird, wobei der Laufring (R) eine Radialdricke größer als die radiale Tiefe des entlasteten Bereichs aufweist, wodurch die Außenfläche radial über die benachbarten Außenflächelndes Kolbens reicht und eine GIeitlagerflache hierfür bildet, und daß der Laufring eine Vielzahl von Nuten (19) im Abstand um den Umfang der Außenfläche aufweist, von denen jede eine radiale Tiefe ausreichend für die Druckmittelverbindung zwischen ihrer Bodenfläche und der benachbarten Zylinderwand besitzt und sich über die axiale Länge des Laufringes unter einem Winkel zur Achse des Laufringes (R) erstreckt.
2.) Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, 209809/0486

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daß die Nuten (19) unter einem Winkel zur Laufringachse (R) sich erstrecken und eine Umfangsbreite derart aufweisen, daß Teile der benachbarten Stege oder erhabenen Bereiche auf jeder Seite einer Nut eine durch eine beliebige der Nuten (19) gelegte axiale Linie (X-X) schniiden.
3.) Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der laufring (R) aus einer einteiligen Büchse federnden Materials besteht, deren normaler Innendurchmesser geringfügig kleiner als der AuSendurchmesser der Nut im Kolben ist, wodurch der Laufring nach Aufsetzen auf den Kolben eng auf den Kolben (10) über die gesamten Innenflächen des Laufianges (R) paßt.
4.) Kombination eines Druckmittelzylinders und eines geradlinig hin- und herbewegten Kolbens, wobei der Kolben eine Lagerfläche geringer Reibung aufweist, gekennzeichnet durch eine axial um den Kolben herum verlaufende Buchse, deren Außendurchmesser größer als der Kolbendurchmesser ist und die eine Tielzahl axial verlaufender längs des Umfangs unter gleichem Abstand angeordneter Nuten aufweist, von denen jede eine radiale Tiefe ausreichend für die Druckmittelverbindung hierdurch besitzt und unter derartigem Winkel zur Achse der Buchse verläuft, daß Teile der Außenfläche der Buchse auf beiden Seiten der Nuten eine beliebige

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auf der Oberfläche der Buchse durch die Hut gelegte axiale linie schneiden.

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