Grundpfeiler der Kompression: Die Entwicklung des Luftkompressors

Fortschritte bei der Kolbenstangenpackung

Die Abdichtung der Kolbenstangen war seit der Erfindung von Dampfmaschinen unerlässlich. Auch bei den Kolbenstangen von Verdichtern , die in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts immer häufiger zum Einsatz kamen, waren Dichtungen erforderlich. Verschiedene Dichtungsscheiben aus Materialien wie Schweineschwarte, Hanf, Entenwolle, Gummi, Metallfolie, Metallspänen und unzähligen Kombinationen dieser Materialien wurden um die Kolbenstangen gestopft und durch eine Stopfbuchse fixiert und gegen die Stange gepresst. Um Leckagen zu vermeiden, mussten die Stopfbuchsenschrauben regelmäßig nachgezogen werden, da sich das Dichtungsmaterial mit der Zeit abnutzte. Frühe metallische Dichtungen bestanden aus keilförmigen Stücken aus einem weichen Metall, die so angeordnet waren, dass der Druck des verschraubten Flansches auf die Kolbenstange wirkte. In dieser Zeit wurden viele Varianten dieser Konstruktion untersucht, doch wie ihre Vorgänger erforderten auch sie ständige Wartung, verbrauchten Motorleistung und führten zu schnellem Verschleiß und Riefenbildung an den Kolbenstangen.

Adam W. France, ein Dampfmaschineningenieur aus Philadelphia, Pennsylvania, experimentierte mit verschiedenen Konstruktionen und entwickelte schließlich eine tangential geschnittene Gusseisen-Stopfbuchse , die er 1899 patentieren ließ. Abb. 1 zeigt ein frühes Kolbenstangen-Stopfbuchsengehäuse von France mit den tangential geschnittenen Ringen. Diese voll schwimmende Metallpackung ermöglichte es den Dichtungselementen, sich innerhalb der Baugruppe frei zu bewegen, im Gegensatz zu nicht schwimmenden Packungen, bei denen die Dichtungselemente starr in der Stopfbuchse fixiert waren und zur Kompensation von Verschleiß oder Fehlausrichtung eine externe Justierung erforderten. Die voll schwimmende Metallpackung eliminierte reibungserzeugende Packungsmaterialien. Darüber hinaus hielten die reibungsarmen Metalldichtringe hohen Temperaturen und Drücken stand. Sie gewährleisteten eine effektive Abdichtung der Kolbenstangen, die sich aufgrund von Verschleiß des Kreuzkopfes oder Zylinders, ungleichmäßiger Ausdehnung der Teile, Fehlausrichtung oder unzähligen anderen Ursachen während ihres Hubs durch die Packung seitlich bewegten.

Ähnliche Entwicklungen im Bereich der Kolbenstangendichtungen wurden etwa zur gleichen Zeit von O. J. Garlock erzielt; auch Charles Lee Cook meldete mehrere Patente an, die die Kolbenstangendichtung verbesserten. Alle drei gründeten später eigene, erfolgreiche Unternehmen für Kolbenstangendichtungen. Die Entwicklung dieser Art von Kolbenstangendichtung war ein entscheidender Schritt, der ein wesentliches Hindernis für die Steigerung der Drehzahl und des Betriebsdrucks von Hubkolbenkompressoren beseitigte.

Fortschritte bei Kompressorventilen

Frühe Kolbenkompressoren verwendeten schwere Metall-Tellerventile oder verschiedene mechanisch betätigte Ventile, darunter Corliss-Ventile, die über Nocken und Gestänge gesteuert wurden, ähnlich wie die Dampfmaschinen, die die Kompressorzylinder antrieben. Sie waren schwer, laut und hatten eine kurze Lebensdauer. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts führten technologische Fortschritte zu schneller laufenden Motoren und Kompressoren, doch die Kompressorventiltechnik schränkte Zuverlässigkeit und Leistung ein. Um diese Einschränkungen zu überwinden, entwickelte Laidlaw-Dunn-Gordon, das 1899 mit Worthington fusioniert hatte, 1905 die sogenannte Cincinnati-Luftventilsteuerung. Sie ermöglichte das mechanische Öffnen und Schließen eines Einlassventils sowie das mechanische Schließen eines Auslassventils, was zu einem schnelleren, leiseren und effizienteren Kompressor führte. Die Steuerung eignete sich nur für große Maschinen und war, obwohl kostspielig, effektiv und weit verbreitet.

Innovative Plattenventile wurden erstmals 1895 von Hanns Hörbiger in Österreich konzipiert. Hörbiger begann 1900 mit dem Ingenieur Friedrich Wilhelm Rogler zusammenzuarbeiten, und es zeigte sich, dass ihre neuen Stahlplattenventile alle Nachteile der damals üblichen Ventilkonstruktionen überwanden und so die Weiterentwicklung der Blasluftkompressortechnologie in Europa ermöglichten.

Abb. 2

In den USA erlebten Kompressorventile zwischen 1910 und 1920 eine Phase rasanter Innovationen. 1911 patentierte Lorenze Iversen, Chefingenieur der Mesta Machine Company in West Homestead, Pennsylvania, ein automatisches Plattenventil für Gebläsemotoren. Das in Abb. 2 dargestellte automatische Plattenventil von Mesta wurde schnell zum Standard, nicht nur für Mesta selbst, sondern auch für viele andere Kompressorenhersteller, die die Mesta-Ventiltechnologie für Luft-, Gas- und Kältekompressoren lizenzierten. Abb. 3 zeigt die große Bandbreite der von Mesta gefertigten Ventilgrößen.

Abb. 3

In den Jahren 1913/14 entwickelte Chicago Pneumatic das Simplate-Ventil, das jahrzehntelang in ihren Kompressoren zum Einsatz kam. 1914 begann Ingersoll-Rand mit der Einführung neuer Kompressoren mit dem in Abb. 4 dargestellten „Rogler“-Ventil, das auf der früheren Erfindung von Hörbiger basierte.

Eine der bedeutendsten Kompressorinnovationen von Laidlaw-Dunn-Gordon erfolgte 1915 mit der Einführung des Federventils, das bereits 1912 patentiert worden war. Dieses in Abb. 5 dargestellte Ventil war so einfach, geräuschlos, effizient und langlebig sowie so universell einsetzbar, dass es die herkömmlichen Kompressoren mit Tellerventil praktisch überflüssig machte. Das Laidlaw-Dunn-Gordon-Federventil wurde über Jahrzehnte hinweg zum Standardbauteil von Worthington-Kompressoren.

Abb. 4

Um 1916 patentierte die Bury Compressor Company aus Erie, Pennsylvania das Universal Pyramid Kastenplattenventil, das in Abb. 6 dargestellt ist. Es wurde beschrieben, dass es 50 % mehr Fläche als jedes andere verwendete Ventil aufwies und „so langlebig wie die Pyramiden und so leise wie die Sphinx“ sei.

Alle diese Ventile verfügten über eine Dämpfungseinrichtung und arbeiteten mit Differenzdruck anstatt mit mechanischer Betätigung. Sie wiesen einen geringeren Widerstand und somit einen höheren Wirkungsgrad als schwere Metall-Sitzventile auf. Diese Ventil- und Dichtungstechnologien des frühen 20. Jahrhunderts blieben bis in die 1970er-Jahre weit verbreitet, bis die Verfügbarkeit von technischen Kunststoffen erneut Entwicklungen ermöglichte, die einen zuverlässigen Kompressorbetrieb bei noch höheren Drehzahlen erlaubten.

Abb. 5

Abb. 6

Die nächste Ausgabe wird diese kurze Serie über die Entwicklung industrieller Luftkompressoren abschließen.