Kompressoren und Systeme Kolbenkonfiguration Hochleistungskolben für zuverlässige Kolbenkompressoren Neue Methode der Kolbenkonfiguration erhöht die Liefermenge und verbessert die Lebensdauer von Kolbenkompressoren erheblich Andreas Brandl, Guido Pratelli und Hervé Ferraris Kolbenringleckage ist ein Problem bei bis zu 30 % aller Kolbenkompressoren in der Prozessgasindustrie. Hohe Leckagewerte können zu hohen Temperaturen, Kapazitätsverlust und/oder den Totalausfall des Verdichters führen. Ein neues mathematisches Modell ermöglicht es Ingenieuren, die Art und Anordnung der Zylinderringe so zu optimieren, dass die Leckage minimiert und damit die Lebensdauer der Kolbendichtungen erhöht wird. Im Vergleich zu herkömmlichen Designmethoden kann durch Simulation die Leistung und Zuverlässigkeit sowohl bei neuen Maschinen als auch bei Nachrüstungen erheblich verbessert werden. In einem typischen doppeltwirkenden Kompressor übernehmen die Kolbenringe die Dichtfunktion zwischen den beiden Enden jedes Zylinders, während die Tragringe das Gewicht des Kolbens tragen (Abb. 1). unter 250 mm (10 Zoll), Hochdruckanwendungen und ungeschmierten Kompressoren. Die Kolbenkonfiguration hat eine starke Auswirkung auf die Leckage der Zylinderringe. Je nach Anwendung kann eine hohe Leckage zu inakzeptablen Endtemperaturen und einer deutlich verringerten Liefermenge führen. Weitere Symptome einer nicht idealen Kolbenausführung sind der vorzeitige Verschleiß von Tragringen und der erhöhte Verschleiß oder Totalausfall von Kolbenringen. Die Tatsache, dass starke Ringleckage so häufig vorkommt, deutet auf ein Problem mit den Methoden, die traditionell zur Bestimmung von Typ, Anzahl und Positionierung der Zylinderringe verwendet werden, hin. Aus diesem Grund ist ein genauerer technischer Ansatz erforderlich, der sowohl die Lebensdauer der Kolben- und Tragringe als auch die Performance des Kompressors berücksichtigt. Bei neu gewarteten Verdichtern ist Kolbenringleckage selten ein Problem. Im Laufe der Zeit kann der Ringverschleiß jedoch zu erheblichen Leckagen führen, insbesondere bei Zylindergrößen Abb. 2: Typische Ausführungen von Kolbenringen (oben) und Tragringen (unten) Warum Leckage entsteht Abb. 1: Ein Kolben mit zwei Kolbenringen und zwei Tragringen Der Kolbenring wird undicht, wenn sich sein Endspalt als Folge von radialem Verschleiß öffnet. Kolbenringe passen in Nuten im Kolben und bilden eine Gleitdichtung gegen die Zylinderwand. Je nach Anwendung hat jeder Kolben in der Regel zwischen zwei und acht Kolbenringe, die typischerweise aus PTFE- oder PEEK-basierten Materialien bestehen. Im normalen Betrieb nutzt sich die Außen fläche des Rings durch den Kontakt mit der Zylinderlaufbuchse ab. Um 76 PROZESSTECHNIK & KOMPONENTEN 2021
Kompressoren und Systeme Kolbenkonfiguration den Verschleiß auszugleichen, hat der Ring einen Spalt am Umfang (Abb. 2, obere Reihe). Wenn der Ring neu ist, ist der Endspalt sehr klein. Das Problem ist, dass sich der Spalt öffnet, wenn sich ein verschlissener Ring radial ausdehnt, um den Kontakt mit der Zylinderwand aufrechtzuerhalten (Abb. 3). Der Leckagequerschnitt nimmt zu, wenn sich das Material von der Lauffläche des Rings abnutzt. Abb. 3: Radialer Verschleiß von Kolbenringen vergrößert die Breite des Endspalts und damit den Leckagequerschnitt. Besonders gefährdet sind ungeschmierte Maschinen, da Öl sowohl zur Abdichtung der Spalte als auch zur Reduzierung des Ringverschleißes beiträgt. Hohe Kolbengeschwindigkeiten und erhöhte Betriebsdrücke verschleißen die Ringe ebenfalls schneller. Zylinder mit einem Durchmesser von 250 mm (10 Zoll) und darunter leiden am meisten unter den Auswirkungen von Kolbenleckage. Dies liegt daran, dass die Leckagerate relativ unabhängig vom Zylinderdurchmesser ist, so dass sie bei einem kleinen Zylinder einen größeren Anteil des Durchsatzes ausmacht. Die meisten Kolbenringe haben einen einfachen geraden oder 45 ° Spalt. Durch Hinzufügen von Druckausgleichsnuten (Abb. 2, oben rechts) wird der Verschleiß reduziert, indem der durchschnittliche Anpressdruck zwischen dem Dichtring und der Zylinderlaufbuchse verringert wird. Es gibt alternative, komplexere Ringdesigns mit dem Ziel, Leckagen zu reduzieren, wie z. B. einfachwirkende L- förmige Ringe. Diese werden jedoch nicht häufig verwendet, da ihre engen Querschnitte anfällig für Bruch und ungleichmäßigen Verschleiß sind. Geschnittene Tragringe (Abb. 2, unten, zweite von links) werden durch das Gas aktiviert, was bedeutet, dass der Differenzdruck am Tragring den Kontaktdruck gegen den Liner erhöht was den Verschleiß erheblich vergrößert. Ungeschnittene Tragringe (Abb. 2, unten links) sind nicht anfällig, aktiviert WIE SICHER, REIN UND ZUVERLÄSSIG IST IHRE PROZESSLUFT IN SENSIBLEN BEREICHEN WIRKLICH? LET’S TALK Dirk Koob, Geschäftsführer AERZEN Deutschland GmbH & Co. KG +49 5154 815666 dirk.koob@aerzen.com Vor allem bei sensiblen Gütern muss die pneumatische Förderung absolut risikofrei sein. Nur so bleiben Reinheit und Qualität erhalten. Aber nicht nur die Verschmutzung des Schüttguts, sondern auch eine Kontamination des gesamten Systems hätte fatale Folgen. Vertrauen Sie auf AERZEN Gebläse und Verdichter-Aggregate: ölfrei gemäß ISO 8573-1 (Ölfreiheit Klasse O), dazu äußerst robust und langlebig. AERZEN bietet Ihnen für jede Anwendung das richtige Produkt – drei Technologien, maximal zuverlässig. www.aerzen.com
