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Kolben für Kompressoren und Pumpen für sehr hohe Drücke Die Erfindung
bezieht sich auf einen Kolben für Kompressoren und Pumpen für sehr hohe Drücke mit
Kammer- und Kolbenringen, die auf einem abgesetzten, mit Gewinde versehenen Schaft
der Kolbenstange oder auf einer besonders ausgebildeten Zentralschraube durch Aufschrauben
einer offenen Mutter zusammengehalten werden, wobei oberhalb des zusammengesetzten
Ringpaketes eine den Schaft bzw. die Zentralschraube umschließende Dichtung vorgesehen
ist.
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Es hat sich gezeigt, daß bei hohen Arbeitsdrücken die Gewinde zur
Aufnahme der Befestigungsmutter einer großen Gefahr eines Dauerbruches ausgesetzt
sind. Der auf der Stirnseite des Kolbens wirkende Gasdruck drückt nämlich die Kammerringe
zusammen und vermindert dadurch ihre ursprüngliche Länge, so daß auch die Vorspannung
des Schaftes vermindert wird. Da beim Betrieb des Kompressors der Gasdruck bei jeder
Umdrehung zwischen dem Ansaub und Verdichtungsdruck wechselt, ändert sich auch im
gleichen Maß die elastische Zusammendrückung des Kammerringpaketes, was eine erhebliche
Wechselspannung im Befestigungsgewinde bewirkt.
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Die durch solche Wechselspannungen hervorgerufenen Dauerbrücke sind
gerade am Kolben außerordentlich gefährlich und können zur Zerstörung des Kompressors
führen, vor allem dann, wenn die abgebrochene Befestigungsmutter in eine ungünstige
Lage innerhalb des Hubraumes kommt. Die erwähnten Wechselspannungen können durch
Verwendung eines dünnen Schaftes herabgesetzt werden. Diese Verminderung der Wechselspannung
hat aber eine Grenze, denn man kann keinen haardünnen Schaft verwenden, weil sonst
die ganze Konstruktion unbrauchbar würde. Bei den bekannten Kolben ist also nur
eine Verringerung der genannten Wechselspannung bis zu einem gewissen Grad möglich.
Dies ist auch bei den bekannten -Dehnschrauben der Fall.
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Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, die Wechselspannungen
im Gewinde gänzlich auszuschalten. Dabei wird davon ausgegangen, daß die in der
Ebene unterhalb der Dichtung auf Schaft und Ringpaket wirkenden Kräfte gleich sein
müssen, damit auch die entsprechenden Formänderungen gleich sind.
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Die Erfindung besteht in einer derartigen Bemessung und Ausbildung
des Schaftes der Kolbenstange oder der Zentralschraube,- daß die Verkürzung des
Schaftes oder der Zentralschraube und des Ringpaketes unter dem Einfluß des auf,
die Stirnflächen wirkenden Gasdruckes gleich groß sind: Sofern das Ringpaket aus
einem Material mit gleichem oder kleinerem Elastizitätsmodul wie das Material der
Kolbenstange oder der Zentralschraube vorgesehen ist, wird durch die Erfindung vorgeschlagen,
daß zum Ausgleich der durch die Kolbenringe verursachten Schwächung der Kammerringe
der Schaft der Kolbenstange geschwächt ist.
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Sofern jedoch das Ringpaket aus einem Material mit höherem Elastizitätsmodul
als das Material des Schaftes der Kolbenstange oder der Zentralschraube vorgesehen
ist, wird durch die Erfindung vorgeschlagen, daß zur Verhinderung unterschiedlicher
Deformationen, die durch die unterschiedlichen Elastizitätsmoduln bedingt sind,
der Querschnitt des Schaftteiles gegenüber dem Querschnitt des mit der Dichtung
versehenen Schaftteiles vergrößert ist.
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Durch die Lehre nach der Erfindung ist es möglich, die im Gewinde
wirkenden Wechselkräfte aufzuheben, wohingegen es mit Dehnschrauben lediglich möglich
ist, diese Kräfte zu verringern.
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In der Zeichnung sind Ausführungsformen der Erfindung beispielsweise
dargestellt. Es zeigt jeweils im Schnitt F i g. 1 einen durch Nuten geschwächten
Kolben, F i g. 2 einen durch Querschnittsverkleinerung geschwächten Kolben, F i
g. 3 einen im Querschnitt verstärkten Kolben und F i g. 4 eine gegenüber F i g.
1 abgeänderte Ausführungsform.
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Gemäß F i g. 1 nimmt der abgesetzte Schaft 2 der Kolbenstange 1 Kammerringe
3 und einen Endring 5 auf. In die Absätze der Kammerringe 3, die auch aus Einzelringen
mit verschiedenem Durchmesser gebildet
sein können, sind die Kolbenringe
4 üblicher Konstruktion eingesetzt. Auf den Kammerringen 3 liegt der Endring 5,
in welchem sich ein Abdichtungsring 6 befindet, der dem Gas den Durchtritt entlang
des Kolbenschaftes 2 verwehrt. Die ein- oder mehrteiligen Kammerringe 3 sind an
den Stirnflächen gasdicht aufgeschliffen. Das Paket von Kammerringen 3 einschließlich
dem Endring 5 ist durch eine offene Mutter 7 zusammengeschraubt. In dieser Mutter
7 befindet sich eine Bohrung 8, welche den Druckausgleich im Ringraum 29 unter dem
Gewinde 10 bewirkt.
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Durch die Anordnung der Dichtung 6 werden der Endring 5 und die Kammerringe
3 nur auf der dem Gasdruck zugewendeten Fläche belastet, wobei sich das gesamte
Kammerringpaket unter dem Einfluß der Belastung elastisch verkürzt. Die Stirnfläche
18 des Schaftes 2 steht ebenfalls unter der Wirkung des Gasdruckes, wodurch sich
auch der Schaft 2 unter dem Einfiuß dieser Kraftwirkung elastisch verkürzt.
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Damit die Verkürzung des Schaftes und des Ringpaketes gleich groß
ist, ist der Schaft 2 durch Anbringung mehrerer am Umfang verteilter Nuten 9 geschwächt.
Hierdurch wird im Gewinde 10 die schädliche Dauerwechselbeanspruchung ausgeschaltet.
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Die Nuten 9, die zur Schwächung des Schaftes 2 angebracht werden,
können eine beliebige Form haben. Sie können rechteckig oder halbrund ausgeführt
sein oder als Abflachungen des Querschnittes, wobei am oberen und unteren Ende ein
allmählicher übergang zum vollen Schaftquerschnitt zu empfehlen ist.
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Die erfindungsgemäß notwendige Verkleinerung des Querschnittes des
Schaftes 2 kann auch durch eine Hohlbohrung erzielt werden.
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Es ist aber auch möglich, den Schaft 2 auf einen gewissen Teil der
Länge im Durchmesser 11 zu verkleinern, wobei dann eine besondere Zentrierbüchse
12 für die Aufnahme der Kammerringe 3 eingesetzt wird (F i g. 2).
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Bei den Ausführungsformen nach den F i g. 1 und 2 hat das Material
des Ringpaketes einen gleichen oder einen kleineren Elastizitätsmodul wie das Material
der Kolbenstange.
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Bei sehr hohen Drücken werden in vielen Fällen die Auflage- und Zwischenringe
aus einem sehr harten Werkstoff mit hohem Elastizitätsmodul hergestellt, der sich
unter der auftretenden Belastung weniger verformt und daher den Kolbenringen im
Betriebe dauernd eine ebene Auflage gewährleistet.
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Der hohe Elastizitätsmodul macht eine etwas andere Ausführung des
Kolbens erforderlich, die in F i g. 3 schematisch dargestellt ist.
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Der Teil 13 des Kolbenschaftes dient zur Aufnahme und Zentrierung
der Unterlageringe 14 und Distanzringe 15, wobei zwischen den Unterlageringen
14 die Kolbenringe 4 eingesetzt werden. Den Abschluß des Ringpaketes bildet einen
Endring 16 mit der Abdichtung 6, jedoch ist der Querschnitt des Schaftteiles
13
gegenüber dem mit der Abdichtung 6 versehenen Schaftteil 17 größer.
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Durch die Anordnung des Dichtringes 6 wird nun wiederum der Endring
16 auf seiner dem Gasdruck zugekehrten Seite belastet und überträgt die Längskraft
auf den kleineren Ringquerschnitt der Distanzringe 15 und Unterlageringe 14. In
diesen Ringen entsteht daher eine Druckspannung, die größer ist als der Gasdruck,
und die elastische Zusammendrückung dieser Ringe, die aus Material von hohem Elastizitätsmodul
angefertigt sind, wird vergrößert. Auf der Stirnfläche 18 wirkt der Gasdruck
auf die dem Durchmesser des Schaftteiles 17 entsprechende Fläche. Da der Durchmesser
des Schaftteiles 13 größer ist als der Durchmesser des Schaftteiles 17, entsteht
im Kolbenschaft eine Druckbeanspruchung, die kleiner ist als der wirkende Gasdruck,
wodurch die elastische Verkürzung des Schaftes 13 unter dem Gasdruck verringert
wird. Es kann daher leicht durch die passende Abstimmung der Durchmesser der Schaftteile
13 und 17 erreicht werden, daß auch bei Verwendung eines Werkstoffes mit höherem
Elastizitätsmodul für die Unterlageringe 14 und die Distanzringe 15 die gesamte
elastische Verkürzung des Ringpaketes und des Schaftteiles 13 gleich bleibt, wodurch
die Dauerwechselbeanspruchungen im Gewinde 1.0 ausgeschaltet werden.
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In F i g. 1 bis 3 sind Kolben dargestellt, bei denen der abgesetzte
Schaft mit dem Kolben aus einem Stück besteht. Es ist auch möglich, den Kolbenringteil
vom eigentlichen Kolbenschaft unter Wahrung des Erfindungsgedankens zu trennen,
und ein Beispiel dieser Ausführung ist in F i g. 4 schematisch dargestellt.
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Es ist hierbei wie in F i g. 1 angenommen, daß die Kammerringe 3 und
die besonders ausgebildete Zentralschraube 19 aus Material gleicher Festigkeit angefertigt
sind. Die als Aufnahmeteil für die Kammer-und Kolbenringe dienende hohle Zentralschraube
19 ist mit Hilfe einer durchgehenden Schraube 20 lösbar mit der Kolbenstange 1 verbunden.
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Durch die Anordnung geeigneter Nuten 9 am Umfang des Schaftes 21 der
Zentralschraube wird wiederum erreicht, daß die gesamte Verkürzung des Ringpaketes
gleich ist der Verkürzung der Zentralschraube 19, so daß im Gewinde 10 der Mutter
7 keine Dauerwechselbeanspruchung eintritt. Die Befestigungsschraube 20 erhält am
oberen Ende eine geeignete Dichtung unter dem Schraubenkopf.
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Es kann auch eine Konstruktion gemaß F i g. 3, d. h. bei Verwendung
von Unterlage- und Distanzringen aus Material mit höherem Elastizitätsmodul in ähnlicher
Weise ausgeführt werden, indem die Schaftteile 13 und 17 hohlgebohrt werden und
durch eine ähnliche Schraube 20, wie in F i g. 4 dargestellt, am Kolbenschaftende
1 lösbar befestigt werden.