CN109477361A - 深度补偿致动器及其与可移动的起伏补偿器相关联的用途 - Google Patents
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Abstract
本公告涉及一种深度补偿致动器(0)，其用于针对海底提升操作的可移动直列式深度补偿起伏补偿器。致动器(1，10)包括圆柱形本体(11)和具有旨在暴露于外部水压的活塞杆(3，13)的活塞(12)，与致动器相关联的第一和第二连接装置(14)。进一步，致动器包括深度补偿器(20)，其包括缸体、活塞和活塞杆，活塞杆的端部暴露于周围的水中；以及导管装置(17)，其在致动器中的至少一个容积和深度补偿器中的一个容积之间。活塞和活塞杆被形成为以下任一种：中空活塞杆、环形活塞、环形活塞杆。深度补偿致动器解决了针对尺寸、种类、所需流体消耗、内部/固有摩擦和适用性而改进深度补偿性能的问题。另外，要求保护深度补偿致动器的用途。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于海底用途的深度补偿致动器，其补偿出现水压的变化。此外，本发明涉及一种适用于海底提升操作的深度补偿致动器，其包括一致动器，该致动器包括圆柱形本体和具有活塞杆的、能够在圆柱内往复运动的活塞、与圆柱相关联的连接装置，起伏补偿器还包括用于容纳流体的容积，并且具有设置有旨在暴露于外部水压效应的表面的布置。
背景技术
现有技术的深度补偿致动器确实存在。US2008/0251980A1涉及一种深度补偿被动起伏补偿器。该现有技术的起伏补偿器由三个主要部件组成：致动器装置；蓄积器和深度补偿器。致动器包括设置有活塞和活塞杆的第一缸体，第一缸体直接或借助于起重机在其上端连接到容器。活塞杆从位于第一缸体内的活塞穿过其下端延伸，并连接将上升或下降的海底设备或有效负载。蓄积器由包含可移动活塞的第二缸体组成，而深度补偿器由包含可移动活塞和活塞杆的第三缸体组成，活塞杆向下延伸穿过缸体的下端并设有暴露于周围水压的表面。致动器的上部容积与深度补偿器的上部容积流体连通，而致动器的下部容积与蓄积器的活塞下方的容积流体连通。当暴露于由于水深增加而增加的水压时，外部水压将作用在第三缸体的暴露的活塞杆的自由表面上，迫使活塞向上，迫使活塞上方的液体离开第三缸体并进入第一缸体的上部容积，影响致动器活塞的位置。当外部水压降低时，会产生相反的效果。以这种方式，消除或至少缓解外部压力对起伏补偿器的影响。
现有技术利用外部缸体形式的增压器原理进行补偿，以补偿作用在活塞杆上的水压的影响。这需要连接到主液压缸(致动器)的第二液压缸(深度补偿器)。与本发明的实施例相比，现有技术的主要缺点在于：
-更大的空间要求
-更大的重量
-更大的摩擦力
-欠缺用于主动活塞杆控制的自由压力表面。
发明内容
现有技术与根据本发明的补偿器之间的主要区别在于获得深度补偿的方式和方法，以及使用主动杆控制的可能性。根据本发明，提供了用于提供旨在与致动器集成的深度补偿装置的不同方式和装置。
通常，致动器深度补偿器和蓄积器包括缸体、活塞以及固定到活塞的集成活塞杆，活塞可移动地布置在相应的缸体内，而深度补偿器杆的至少一端穿过缸体的端部封闭件伸出，杆的自由端具有表面，暴露于周围的水压。
根据本发明各种实施例，提供了致动器和深度补偿器两者，并且可以以合适的方式组合和配置，并且都在本发明的发明构思内，以获得有效且实用的组合，形成集成的、细长的和有效的单元，例如适合用作海底起伏补偿器。
在下面的公开中，高压意味着高达500巴或更高的压力，而低压或真空意味着低于2巴的压力。
本发明的一个目的是提供一种深度补偿致动器，其中补偿器的整体尺寸、细长度和/或重量，例如补偿缸体的增加的重量和所需的可能的增压器装置以及所需的液压流体的体积与现有技术的补偿器相比显着减少。
本发明的另一目的是提供一种系统，在该系统中具有减小的固有摩擦，即，例如由液压密封件和/或系统中的流体传递引起的摩擦，以及补偿器的运动部件的摩擦和增加惯性。
本发明的另一个目的是提供一种具有自由压力区域的致动器，所述自由压力区域可用作主动起伏补偿器的一部分。
本发明的又一个目的是开发和改进致动器和/或深度补偿器单元配置，以显着减小单元所需的尺寸和重量，限制必须填充油的工作体积的大小，而不降低系统的效率或容量。由于密封尺寸显着减小，摩擦更小。
本发明的还一个目的是提供不同类型的深度补偿致动器的实施例，其适合用作起伏补偿器的集成部分。
本发明的主要特征在独立权利要求中给出。本发明的附加特征在从属权利要求中给出。
根据本发明，提供了一种深度补偿致动器，其适于形成例如用于海底提升或装载操作的可移动直列式深度补偿起伏补偿器的部件，包括致动器，该致动器包括圆柱形本体和具有活塞杆的活塞，其能够在圆柱形本体内往复运动，与致动器相关的第一和第二连接装置，致动器还包括用于容纳气体或液体的容积。与活塞杆相关的尾部表面旨在暴露于外部水压；深度补偿器包括缸体、活塞和穿过深度补偿器的端部密封件伸出的活塞杆，其端部暴露于周围的水中；以及导管装置，其在在致动器(1,10)中的至少一个容积和深度补偿器中的一个容积之间。致动器是以下任一组合：
-具有中空活塞杆构造的致动器，以及选自下组的深度补偿器：具有中空活塞杆的深度补偿器；具有环形活塞和活塞杆的补偿器；或具有缸体、活塞和活塞杆的补偿器，其自由端暴露于外部水压；或者
-致动器，其包括缸体；活塞；和活塞杆；活塞杆的自由端暴露于周围的海水，以及具有环形活塞和活塞杆的深度补偿器。
根据一个实施例，所述导管装置可以连接所述中空致动器活塞杆中的容积和所述中空深度补偿器活塞杆中的容积。
所述导管装置可以连接所述致动器的封闭端处的容积和所述补偿器中的活塞的封闭容积，活塞杆的相对的两个侧部。
深度补偿致动器可以用于海底条件中，所述致动器可以高压深度补偿致动器，并且包括中空杆致动器，并且其中所述深度补偿是：
中空杆致动器可以包括第一缸体、第一活塞、第一中空杆、位于中空杆致动器的每个轴向端部的连接装置、与第一缸体同轴安装并且紧固至第一缸体的上端的第二缸体、以及安装到第二缸体的下端的第二活塞；
第一容积V1可以由中空杆的外径、第一缸体的下端、第一缸体的内径和第一活塞的下端形成，且可以填充油、气体或处于真空下；
第二容积V2可以由第二缸体的外径、第一缸体的上端、第一缸体的内径、第一活塞的上端、第一中空杆的内径和第二活塞的下端形成，且可以填充油、气体或处于真空下；
第三容积V3，其可以由第二缸体的内径、第一缸体的上端、中空杆的内径、第二活塞的下端和中空杆的下端形成，且可以填充油、气体或处于真空下；
深度补偿器，包括第三缸体、第二中空杆、与第三缸体同轴安装并且紧固至第三缸体的上端的第四缸体、安装在第四缸体的下端处的第三活塞以及安装在第二中空杆的上端处的机械行程限制器，从而阻止第二中空杆过度冲击；
第四容积V4，其可以在第三缸体的下端、第三缸体的内径、第四缸体的外径、第三活塞的上端之间形成，并且由第二中空杆以及机械行程限制器移动，其可以填充气体或处于真空下；
第五容积V5，其在第二中空杆的下端、第四缸体的内径、第二中空杆的下端、第三缸体的上端和第三活塞的下端形成，其可以填充油；
导管装置，其在第五容积V5和第三容积V3之间。
根据本发明的另一实施例，深度补偿致动器可以配置为在其中，致动器的中空活塞杆的容积和深度补偿器的中空杆中的容积通过在致动器缸体内的静止缸体和在深度补偿器缸体内的静止缸体连通。
深度补偿器的活塞杆可以是环形的，并且可以设置有行程限制装置。
进一步，深度补偿器的缸体向下开口，并且，端部开口的缸体的内径对应中空活塞杆的外径。
在实施例中，暴露于周围的水的深度补偿器的中空活塞的横截面面积大于致动器的对应的暴露面积。
根据深度补偿致动器的实施例，致动器包括：
连接装置和第二连接装置，它们连接到固定点或活动点，即，起重机吊钩、有效载荷、海床等；
缸体，其具有活塞和活塞杆；
第二缸体同轴地安装在上部上(具有第一连接装置的一侧)，第二缸体具有比第一缸体更大的直径，但是长度更短；
第二缸体具有连接到环形活塞杆的环形活塞的特征；
导管装置，其将环形缸体的油侧和缸体连接在一起。
所述深度补偿致动器可进一步配置成环形活塞和环形活塞杆之间的面积比等于或小于活塞和活塞杆之间的面积比。
根据深度补偿致动器的实施例，致动器可以包括：
中空杆致动器，包括第一缸体、第一环形活塞、中空杆、位于中空杆致动器的每个轴向端部的连接装置和与第一缸体同轴安装并且紧固至第一缸体的上端的第二缸体；
环形活塞可以适于在第二缸体的外径上滑动；
第一容积V1可以由中空杆的外径、第一缸体的下端、第一缸体的内径和环形活塞形成，且可以填充油或气体；
第二容积V2可以由第二缸体的外径、第一缸体的上端、第一缸体的内径和环形活塞形成，且可以填充油、气体或处于真空下；
第三容积V3可以由第二缸体的内径、第一缸体的上端、中空杆的内径、中空杆的内径和中空杆的下端形成，且可以填充油、气体或处于真空下；
深度补偿器经由导管装置连接到第二容积V2或第三容积V3。
根据这一实施例，深度补偿器可进一步包括第三缸体；暴露于外部压力的活塞；连接到活塞并适于在第三缸体内往复运动的活塞杆；第四缸体，其与第三缸体同轴地安装在第三缸体的下端；在第四缸体的下端、第四缸体的内径、第三缸体的下端之间形成第四容积V4，并由活塞杆移位，其可以油填充；在第三缸体的下端、第三缸体的内径、活塞的下端和活塞杆的外径之间形成第五容积V5，其可以填充气体或者处于真空下；以及导管装置，其在第四容积V4和第三容积V3之间。
根据液压深度补偿致动器的变型，深度补偿器可以是还包括以下的深度补偿器：第三缸体；活塞；活塞杆，其暴露于外部压力、连接到活塞且适于在第三缸体内往复运动；在第三缸体的下端、第三缸体的内径、活塞的下端和活塞杆的外径之间形成第五容积V5，其可以填充气体或者处于真空下；在第三缸体的上端、第三缸体的内径和活塞的上端之间形成第六容积V6，其可以填充油；以及导管装置，其位于第六容积V6和第二容积V2之间。
作为一种选择，油由任意流体替代，和/或气体由任意流体替代，和/或真空由任意流体/气体替代。
根据本发明，深度补偿致动器可以通过将致动器连接到气体蓄积器而用于主动起伏补偿，气体蓄积器包括以下元件：
-第一蓄积器缸体；
-第二蓄积器缸体，其具有比第一蓄积器缸体小的直径，
-活塞，其构造为在第一蓄积器缸体内往复运动，其将第一蓄积器缸体分为第九容积V9和第十容积V10，并且活塞杆固定至活塞，并且从活塞突出，活塞杆的相反端部位于第二蓄积器缸体内，以及
-第一导管装置，用于构建在气体蓄积器的容积V9和致动器的容积V1之间的流体连通；以及
-第二导管装置，用于构建在蓄积器容积V11和致动器容积V3之间的流体连通，可逆泵37形成第二导管装置的部分。
根据本发明的另一个实施例，提供了一种用于海底用途的高压深度补偿致动器(HPDCA)，其补偿通常存在问题的水压效应。HPDCA的新颖设计使用中空杆致动器与高压深度补偿器缸体相结合，以提供轻量化设计，具有最小量的摩擦，同时增加额外的压力表面。
HPDCA使用中空杆致动器来显著降低深度补偿器的需要尺寸和重量，因为仅中空管的容积必须填充油。由于密封尺寸显著降低(从全部致动器直径至中空活塞杆的内部直径)，摩擦也显著更小。所需的油的流量也显着低于现有技术的解决方案。
根据本发明的又一个实施例，提供了一种传统的致动器，其与基于环的深度补偿缸体结合，所有这些都在一紧凑对称的组件中。基于环的深度补偿缸体设有环形活塞，环形活塞围绕传统致动器在环形容积中往复运动，环形活塞设有环形活塞杆，其固定在环形活塞上，并延伸穿出环形容积的封闭件，其自由端暴露于周围海水的压力。这确保了水压效应被抵消。
根据本发明的又一个实施例，提供了一种液压深度补偿致动器，包括与各种深度补偿缸体组合的中空杆致动器，以提供更适合与主动致动器杆控制组合的替代设计。对于一个实施例示出了主动致动器杆控制。
附图说明
在下文中，将参考附图更详细地描述本发明的示意性实施例，仅示出所涉及的主要部件，其中：
图1示意性地公开了用作海底用途的起伏补偿器的现有技术深度补偿致动器的图示。
图2示意性地公开了根据本发明的深度补偿致动器的一个实施例的图示，其中它形成主动起伏补偿器的一部分。
图3公开了根据本发明的高压深度补偿致动器的图示，其中具体标识出高压深度补偿致动器的主要部件。
图4示意性地示出了根据本发明的补偿致动器的实施例的图示，其中具体标识出致动器的主要部件。
图5和图6公开了根据本发明的深度补偿致动器的多个实施例的示意图，其中仅具体标识出深度补偿致动器的主要部件。
具体实施方式
以下对本发明实施例的描述参考附图。不同附图中的相同附图标记表示相同或相似的元件。致动器和深度补偿器中的各种容积用V和数字标识(V1，V2，......Vn)，并且具有相同功能或位置的容积被赋予相同的标识，而与包含在该容积中的流体无关。以下详细描述不限制本发明。相反，本发明的范围由所附权利要求限定。为简单起见，下面的实施例讨论了用于海上提升操作的致动器和深度补偿器的术语和结构，其中致动器和深度补偿器形成可运输的直列式起伏补偿器的一部分以跟随海底有效载荷。
整个说明书中对“一个实施例”或“实施例”的引用意味着描述包括在所公开的主题的至少一个实施例中的实施例的特征、结构或特性。因此，在整个说明书中，在各个地方的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”的出现不一定是指同一实施例。另外的特征、结构或特性可以以任何合适的方式或在一个或多个实施例中组合。这同样适用于容积是否充满气体或液体。
还应当理解，简洁起见，通常与致动器或深度补偿器相关联的元件并不总是公开或指出。与系统相关的常规元件，例如密封件、蓄积器、其他类型的压力增强器、泵、阀、控制系统未详细公开。
图1示意性地公开了包括在用于海底用途的起伏补偿器的现有技术深度补偿致动器0的图示。所公开的部件是传统的致动器，其包括缸体、往复地布置在缸体1内的活塞2以及刚性地固定到活塞2的活塞杆3。活塞2在缸体1中建立两个不同的容积。在其上端，致动器1设有第一连接装置8，而活塞杆3的自由端设有第二连接装置9。第一连接装置8构造成连接到起重机等(未示出)，而第二连接装置9构造成固定到将安装在海床上的有效载荷(未示出)。
此外，致动器与深度补偿器20流体连通，深度补偿器20由缸体21和活塞22组成，其往复地布置在深度补偿器20内。活塞杆23固定到活塞22上，活塞杆23通过缸体21的底部封闭件伸出，其端面暴露于周围的水压。深度补偿器的上部容积与致动器的上部容积流体连通。
图1中公开的系统还包括气体蓄积器，该气体蓄积器包括缸体和往复地布置在缸体内的活塞，其将缸体分成上部和下部容积。蓄积器的下部容积与致动器的下部容积流体连通。
图2示意性地示出了根据本发明的深度补偿致动器0的一个实施例的图示，其中，深度补偿致动器0形成主动起伏补偿器的一部分，其公开了如何实现致动器杆的主动控制，即主动起伏补偿。图2中公开的深度补偿致动器0对应于图5中公开的实施例，并且将在下面进一步详细描述。与图5中公开的深度补偿致动器0相比，增加了以下部件：
-可逆泵37
-具有第一活塞39和第二活塞40的气体蓄积器38。
主动起伏补偿器(AHC)包括连接到一个或多个蓄积器的致动器，其还可以连接到一个或多个气罐。所示的蓄积器允许非常有效地使用市售的液压马达，其用于获得对液压致动器的主动控制。液压致动器的自动控制用于补偿起伏运动。自动控制由计算机控制，该计算机根据来自多个传感器的测量值计算控制信号，其中，最重要的是活塞位置传感器、加速度计和钢丝绳速度传感器。有关钢丝绳速度的信息在补偿器处于空气中时通过无线信号传输到补偿器，在浸没时通过声传播而传输。补偿器可以在具有可变刚度和阻尼、具有或不具有对液压致动器的主动控制、以及具有或不具有对各种气体容积中的压力水平的主动控制的多种不同模式下操作。补偿器是节能的，因为补偿器的被动部分承载有效载荷重量的整个载荷，并且主动控制的液压泵仅须补偿气体压缩效应和摩擦，其与静态力相比通常约为力的15％。还使用能量再生，使得仅液压泵中的摩擦和漏油以及机械损失有助于能量消耗。此外，海底的声学通信和上部的无线通信允许控制和监视补偿器，车载传感器允许用户在提升结束后验证性能。
与现有技术相比，这种AHC具有以下优点：移动式结构，相同容量成本较低，长波周期性能良好，短波周期性能更佳，浪溅区穿越性能优异，非常适合共振保护，钢丝绳磨损减少，能耗低。
以下等式用于设计蓄积器、致动器和深度补偿器(强度计算不包括在内并会一定程度上影响设计，但这些计算取决于使用哪种设计标准来计算强度)。这些等式基于一个泵、一个致动器和一个蓄积器，但可以容易针对其它类型的多个组件进行修改。
主要设计标准是：
-补偿器的容量(Fphc)
-致动器行程长度和压缩比(Sact,C)
-AHC系统的速度(vahc)
-致动器容积标准
-深度补偿器的力平衡
-深度补偿器容积标准
补偿器的容量根据设计压力确定致动器活塞的尺寸和致动器杆外径(通过强度计和致动器杆内径间接计算的杆尺寸)。
其中，
Fphc-补偿器容量(最大力)
pphc-致动器设计压力
dact-致动器内径
drod，o-致动器杆的外径
当致动器杆由于系统中的气体压缩而延伸时，压缩比确定力的变化。
其中，
C-压缩比
Vmax-在零致动器行程处的气体容积
Vmin-在最大致动器行程处的气体容积
Vtank-罐的气体容积
Vacc-蓄积器的气体容积
Sact-致动器行程长度(最大)
系统的有效部分中能够补偿气体压缩效应所需的最小力是(因子2是由于AHC系统可以在两个方向上影响致动器活塞)：
Fahc-AHC可以施加在致动器活塞上的力(单向)
pahc-AHC系统的设计压力
drod，i-致动器杆的内径
κ-绝热压缩系数
泵的尺寸与所需的致动器速度有关。
其中，
vahc-主动控制下的致动器杆速度
Q-泵体积流量
致动器的被动部分的油容积必须在蓄积器内适配。
其中，
dacc-蓄积器直径
Sacc-蓄积器行程长度(最大)
为了平衡通过油泵的油的流动，以下等式必须为真：
其中，
dacc，ahc-蓄积器的小活塞直径。
为了平衡来自海水的压力，必须满足以下等式：
其中，
drod，dc-深度补偿器杆的直径
ddc-深度补偿器缸体的直径
最后的标准是确保深度补偿器有足够的油可用于补偿整个致动器行程：
其中，
Sdc-深度补偿器的行程
气体蓄积器38由最多四个容积组成；两个活塞39、40，通过共用的活塞杆41相互连接。根据所公开的实施例，第二活塞40具有比第一活塞39更大的直径。第二活塞40往复地布置在具有和第二活塞40相应的内径的缸体42中，第二活塞40将缸体42分成下部容积、第九容积V9和在较大活塞40上方的上部容积V10。容积V9位于气体蓄积器38的下端和大活塞40之间并且充满油。上部容积V10位于大活塞40的上表面和气体蓄能器38的上端之间，并且充满气体。较大和/或较小的活塞二者都可以设置有密封装置(未示出)。
具有较小直径的第二缸体45同轴地布置在较大缸体42的内部，处于在容积V10的上端。较小的活塞39用于在较小的缸体45内往复运动。较小缸体45的内径对应于较小活塞39的外径。较小的活塞39将较小的缸体45的容积分成上部、第十一容积V11，其位于活塞39的上表面和气体蓄积器38的上端之间，以及较小的第十二容积V12，其在较小的活塞39的下表面和较小的缸体45的底部封闭件之间。较小的缸体45的下部封闭件或端部设有密封的开口，其中，互连的活塞杆41与活塞39、40一起往复运动。第十一容积V11充满油，而第十二容积V12通常处于低压状态。由于互连活塞杆41的体积，第十二容积V12是环形的，因此小于容积V11。
根据所公开的实施例，容积V1通过导管43连接到容积V9，在致动器10中提供主要被动力。容积V3通过具有可逆泵37的导管44连接到容积V11，在两个方向上在致动器杆13上提供主动力。
在共用活塞杆41的外表面和较小缸体45的内表面之间形成的环形容积V12可以与较小活塞39上方的容积V11和周围容积V10分开或密封，形成真空。可替代地，作为第一选择，容积V12可以与活塞上方的较小缸体45内的容积V11流体连通。在这种情况下，可以移除活塞39，仅留下活塞杆41在较小的缸体45内往复运动，然后压力暴露区域减小到活塞杆41的端面。然后用油填充容积V11。第二种可以是允许容积V12与充满气体的周围容积V12流体连通。在这种情况下，可以省略共用活塞杆41周围的密封件。
这种配置的可移动起伏补偿器可以是基本上更简单、更轻便、与构建相关的成本更低，并且更稳健和更安全的解决方案。与具有相同容量的现有技术解决方案相比，总重量可降低约10％，成本降低10％至15％，活塞堵塞的风险至少显著降低，如果不消除的话。此外，并且重要的是：由于所提出的配置和可逆泵，可以主动地驱动致动器活塞杆。
图3涉及高压深度补偿致动器(HPDCA)，其是旨在用于海底用途的致动器设计。其补偿通常成为问题的水压效应。
HPDCA使用中空的杆致动器来显著降低深度补偿器的需要尺寸和重量，相比于现有技术方案，仅内部管的容积必须由油填满。由于密封尺寸显著降低(从全部致动器直径至杆内部直径)，摩擦也更小。
本发明的主要特征在独立权利要求中给出。本发明的附加特征在从属权利要求中给出。
HPDCA的新颖设计使用中空杆致动器与高压深度补偿器缸体相结合，以提供轻量化设计，具有最小量的摩擦，同时增加额外的压力表面。
如之前所述，图3示出了HPDCA 0，其具有标号1至25的所有主要子部件以及由V1至V5指示的所有容积。在表格1中，标识了部件描述。HPDCA 0可以竖直地、水平地或成一定角度地使用。一种应用可以是用于在低压下操作的海底阀的致动器；另一应用是在不同的水深处使用的致动器，其通常是起伏补偿器的一部分。
图3示出本发明，下面解释细节：
-中空杆致动器10，包括第一缸体11、第一活塞12、第一中空活塞杆13、位于中空杆致动器10的每个轴向端部的连接装置14、与第一缸体11同轴安装并且紧固至第一缸体11的上端的第二缸体15、以及固定到第二缸体15的下端的第二静止活塞16。
-第一容积V1形成在中空杆13的外径、第一缸体11的下端、第一缸体11的内径和第一活塞12的下端之间，并且可以填充油、气体或处于真空下
-第二容积V2由第二缸体15的外径、第一缸体11的上端、第一缸体11的内径、第一活塞12的上端、第一中空杆13的内径和第二活塞16的上端形成，并且可以填充油、气体或处于真空下
-第三容积V3由第二缸体15的内径、第一缸体11的上端、中空杆13的内部容积、第二活塞15的下端和中空杆13的下端形成，并且可以填充油、气体或处于真空下。然而，通常容积V3几乎总是充满油并连接至容积V5。如果V5中的油体积小于容积V3中的油体积，则可出现真空。
-深度补偿器20，包括第三缸体21、第二中空杆22、同轴安装在第三缸体21内并紧固至第三缸体21上端的第四缸体23、安装在第四缸体23的下端处的第三静止活塞24，以及安装在第二中空杆22的上端的机械行程限制器25，防止第二中空杆22过度冲击，其与静止活塞24的上表面共用作用
-第四容积V4形成在第三缸体21的下端处的固定第三活塞24的上表面、第三缸体21的内径、第四缸体23的外径之间，并且被第二中空杆22以及机械行程限制器25移位，其可以充满气体或处于真空下
-第五容积V5形成在第二中空杆22的下端、第四缸体23的内径、第二中空杆22的下端、第三缸体23的上端和第三活塞24的下端之间，其可以填充油
-导管装置17，其位于第五容积V5和第三容积V3之间。
图3所示的发明以下面方式工作：
-中空杆均暴露至外部压力。
-第三容积和第五容积通过导管连接，并且将具有相同压力(内部压力)。
-为了抵消外部压力对第一中空杆的影响，内部压力需要等于外部压力乘以第一中空杆的外径和内径之比的平方
-
力平衡如下：
-第二个要求是第五容积的容积足够大以便能够提供油到第三容积用于整个可用行程长度。
-为了达到这些要求，第二中空杆的外径和内径之间的直径比需要与第一中空杆的外径和内径之比相同第二个要求是第二中空杆的内径需要等于第一中空杆的内径乘以第一中空杆的行程长度与第二中空杆的行程长度之比的平方根
-通过将其连接至气体蓄积器，第一容积V1可以用于被动起伏补偿装置。
-通过将其连接至例如泵，第二容积V2留作不被使用，并且可以用作用于主动起伏补偿目的的外压力表面。
第四容积V4通常应不具有压力。
图4公开液压补偿致动器(HCA)的实施例，其是旨在用于海底用途的致动器设计。其补偿通常成为问题的水压效应。
HCA的新颖设计是使用传统的致动器与基于环的补偿缸体相结合，所有这些都在一紧凑的对称组件中。基于环的补偿缸体保证水压效应被抵消。
如之前所述，图4示出了HCA(0)，其具有下面表格中所列的所有主要子部件。HCA0可以竖直地、水平地或成一定角度地使用。一种应用可以是用于在低压下操作的海底阀的致动器；另一应用是在不同的水深处使用的致动器，其通常是起伏补偿器的一部分。当用作阀致动器时，第一连接装置14和第二连接装置14连接至固定点或活动点。当用作起伏补偿器的部分时，第一连接装置14和第二连接装置14通常连接至有效载荷和/或起重机。连接装置14可以是以下至少一个：吊眼、连接叉，但不仅限于此。此外，HCA0由具有活塞12和活塞杆3的缸体1组成。活塞12将缸体分成两个容积V1，其是活塞12下方的容积并容纳活塞杆3。第二缸体31同轴地安装在上部上，该容积具有大致的环形(顶侧具有第一连接装置14，第二缸体31具有比第一缸体1更大的直径，但是具有更短的长度。)第二缸体31具有连接到环形活塞杆33的环形活塞32的特征。环形活塞32和环形活塞杆33之间的面积比等于或小于活塞12和活塞杆3之间的面积比。导管装置17将环形缸体31的油侧和缸体1中的容积V2连接在一起，从而有效消除外部压力的影响。缸体1的HP侧连接到其它液压装置，例如活塞蓄积器或HPU(未示出)。环形缸体31的LP侧可以连接到其他液压装置，例如主动起伏补偿器中的液压泵，或者是充满低压气体的气体。
活塞32将环形缸体31分成环形容积或环形V3，同时环形活塞杆33将活塞下方的容积分成两个同轴布置的环形容积V4和V5，其中，容积V4定位在致动器缸体1的居中布置的容积V2的外壁表面之间，同时容积V5布置在环形活塞杆33的外表面和环形缸体31的同轴布置的外壁的内表面之间。环形活塞32和环形活塞杆33之间的面积比等于或小于活塞12和活塞杆3之间的面积比。容积V1包含高压流体，同时容积V4和V5包含低压流体。进一步，各个容积具有圆柱形横截面。高压流体可以是油，尽管也可以替代地使用气体。
为了消除周围水压效应，各个容积之间的相互关系可以由以下等式限定：
其中，a＝外环形缸体31的内径
b＝环形活塞32的内径
c＝环形活塞杆33的外径
d＝环形活塞杆33的内径
f＝活塞杆3的直径
e＝致动器缸体1的直径，或多或少地对应于活塞12的直径。
而且，在这种情况下，为了使用致动器的全行程，主缸和环形缸中的油体积必须相等。
导管装置17将环形缸体31的油侧和缸体1顶部的容积V2连接在一起，从而有效消除外部压力的影响。缸体1的HP侧连接到其它液压装置，例如活塞蓄积器或HPU(未示出)。环形缸体31的LP侧可以连接到其他液压装置，例如主动起伏补偿器中的液压泵，或者是利用低压气体填充的气体。低压容积可以不暴露于任意显著压力，但可以使用对主动控制活塞杆3期望的压力。在这种情况下，容积可以连接至液压单元(HPU)。
图5和图6涉及液压深度补偿致动器(HDCA)，其是旨在用于海底用途的致动器设计。其补偿通常成为问题的水压效应。
现有技术的补偿是利用外部缸体进行，以补偿作用在活塞杆上的水压的影响，因此需要至少一个大的第二液压缸体连接到主液压缸体，而本HCDA使用中空杆致动器来显着减小深度补偿器所需的尺寸和重量，因为只有内管的容积必须用油填充。由于密封尺寸显著降低(从全部致动器直径至杆内部直径)，摩擦也更小。
HDCA的新颖设计使用中空杆致动器与各种深度补偿器缸体相结合，以提供轻量化设计，具有最小量的摩擦，同时增加额外的压力表面。
如之前所述，图5和图6示出了HDCA0，其具有标号1至34的所有主要子部件以及由V1至V10指示的所有容积。在表格1中，标识了部件描述。如果容积V1流体连接至蓄积器，则流体将总是油。液压深度补偿致动器(HDCA)0可以竖直地、水平地或成一定角度地使用。一种应用可以是用于在低压下操作的海底阀的致动器；另一应用是在不同的水深处使用的致动器，其通常是起伏补偿器的一部分。
示出的两个HDCA-实施例具有以下相同之处：
-中空杆致动器10，包括第一缸体11、第一环形活塞12、中空杆13、位于中空杆致动器10的每个轴向端部的连接装置14、和与第一缸体11同轴安装并且紧固至第一缸体11的上端的第二缸体15
-环形活塞12，其适于在第二缸体15的外直径上滑动
-第一容积V1由中空杆13的外径、第一缸体11的下端、第一缸体11的内径和环形活塞12形成，并且可以填充油或气体
-第二容积V2由第二缸体15的外径、第一缸体11的上端、第一缸体11的内径和环形活塞12形成，并且可以填充油、气体或处于真空下
-第三容积V3由第二缸体15的内径、第一缸体11的上端、中空杆13的内径和中空杆13的下端形成，并且可以填充油、气体或处于真空下
-深度补偿装置经由导管装置连接到任一第二容积V2。
图5显示第一实施例，其在相同部分之外包含：
-第三缸体21
-活塞杆23，其连接到活塞22，其中，活塞22暴露于外部压力，并且两者都适于在第三缸体21内往复运动
-第四缸体24，其与第三缸体24同轴地安装在第三缸体21的下端
-第四容积V4形成在第四缸体24的下端、第四缸体24的内径、第三缸体21的下端之间，并由活塞杆23移位，其可以油填充
-第五容积V5形成在第三缸体21的下端、第三缸体21的内径、活塞22的下端和活塞杆23的外径之间，其可以填充气体或者处于真空下
-导管装置，其在第四容积V4和第三容积V3之间。
图6显示第二实施例，其在相同部分之外包含：
-第五缸体(31)
-第二环形活塞(32)，其适于任何缸体的外径(图4中用虚线示出)的滑动运动，适于在第五缸体(31)内往复运动
-环形活塞杆(33)，其连接到环形活塞(32)，暴露于外部压力并适于20在第五缸体(31)内往复运动
-第八容积(V8)形成在第五缸体(31)的下端、环形活塞杆(33)的内径和第二环形活塞(32)之间，其可以填充气体或者处于真空下
-第九容积(V9)形成在第五缸体(31)的下端、环形活塞杆(33)的外径25、第五缸体(31)的内径和第二环形活塞(32)之间，其可以填充气体或者处于真空下
-第十容积(V10)形成在第五缸体(35)的上端、第二环形活塞(32)的上端、第五缸体(31)的内径之间，其可以填充油30
-导管装置，其在第十容积(V10)和第二容积(V2)之间
当涉及四个实施例中所示的各种容积中的各种流体时，存在许多可能的组合。
表格1
Claims (16)
1.一种深度补偿致动器(0)，适于形成例如用于海底提升或装载操作的可移动直列式深度补偿起伏补偿器的部分，包括：致动器(1，10)，致动器包括圆柱形本体(11)和具有活塞杆(3，13)的活塞(12)，其能够在圆柱形本体(11)内往复运动，与致动器(1，10)关联的第一和第二连接装置(14)，致动器(1，10)还包括旨在容纳气体或液体的容积，并且其中，与活塞杆(3，13)关联的尾部表面旨在暴露于外部水压；深度补偿器(20)，其包括缸体、活塞和穿过深度补偿器(20)的端部封闭件伸出的活塞杆，其端部暴露于周围的水中；以及导管装置(17)，其位于致动器(1，10)中的至少一个容积和深度补偿器(20)中的一个容积之间，
其特征在于，具有以下任一种组合：
-具有中空活塞杆(13)构造的致动器(10)，以及选自以下组中的深度补偿器(20)：具有中空活塞杆(22)的深度补偿器(20)；具有环形活塞(32)和活塞杆(33)的补偿器；或具有缸体(21)、活塞(22)和活塞杆(23)的补偿器，其自由端暴露于外部水压；或者
-致动器(1)，其包括缸体；活塞(12)；和活塞杆(3)；活塞杆的自由端暴露于周围的海水，以及具有环形活塞(32)和活塞杆(33)的深度补偿器。
2.根据权利要求1所述的深度补偿致动器，其中，所述导管装置(17)连接所述中空致动器活塞杆(13)中的容积(V3)和所述中空深度补偿器活塞杆(22)中的容积(V5)。
3.根据权利要求1所述的深度补偿致动器，其中，所述导管装置(17)连接所述致动器的封闭端处的容积和所述补偿器中的活塞的封闭容积，活塞杆的相对的两侧。
4.根据权利要求1或2所述的用于海底条件的深度补偿致动器(100)，其中，所述致动器是高压深度补偿致动器，并且包括中空杆致动器(100)，并且其中，所述深度补偿是：
中空杆致动器(10)，包括第一缸体(11)、第一活塞(12)、第一中空杆(13)、位于中空杆致动器(10)的每个轴向端部的连接装置(16)、与第一缸体(11)同轴安装并且紧固至第一缸体(11)的上端的第二缸体(14)、以及安装到第二缸体(14)的下端的第二活塞(15)；
第一容积(V1)由中空杆(13)的外径、第一缸体(11)的下端、第一缸体(11)的内径和第一活塞(12)的下端形成，且可以填充油、气或处于真空下；
第二容积(V2)由第二缸体(14)的外径、第一缸体(11)的上端、第一缸体(11)的内径、第一活塞(12)的上端、第一中空杆(13)的内径和第二活塞(15)的上端形成，且可以填充油、气或处于真空下；
第三容积(V3)由第二缸体(14)的内径、第一缸体(11)的上端、中空杆(13)的内径、第二活塞(15)的下端和中空杆(13)的下端形成，且可以填充油、气或处于真空下；
深度补偿器(20)，包括第三缸体(21)、第二中空杆(22)、与第三缸体(21)同轴安装并且紧固至第三缸体(21)的上端的第四缸体(23)、安装在第四缸体的下端处的第三活塞(24)以及安装在第二中空杆(22)的上端处的机械行程限制器(25)，阻止第二中空杆(22)过度冲击；
第四容积(V4)形成在第三缸体(21)的下端、第三缸体(11)的外径、第四缸体(23)的外径、第三活塞(24)的上端之间，并且由第二中空杆(22)以及机械行程限制器(25)移动，其可以填充气体或处于真空下；
第五容积(V5)形成在第二中空杆(22)的下端、第四缸体(23)的内径、第二中空杆(22)的下端、第三缸体(23)的上端和第三活塞(24)的下端，其可以填充油；
导管装置(17)，其在第五容积(V5)和第三容积(V3)之间。
5.根据权利要求1或2所述的深度补偿致动器，其中，致动器的中空活塞杆的容积和深度补偿器的中空杆中的容积通过在致动器缸体11内的静止缸体14和在深度补偿器缸体内的静止缸体23连通。
6.根据权利要求4或5所述的深度补偿致动器，其中，深度补偿器的活塞杆是环形的，并且可以设置有行程限制装置。
7.根据权利要求5至6中的任一项所述的深度补偿致动器，其中，深度补偿器的缸体向下开口，并且，端部开口的缸体的内径对应中空活塞杆的外径。
8.根据权利要求5至7中的任一项所述的深度补偿致动器，其中，暴露于周围的水的深度补偿器的中空活塞的横截面面积大于致动器的对应的暴露面积。
9.根据权利要求1所述的液压补偿致动器(0)，包括：
第一和第二连接装置(15)，其连接至固定点或者活动点；
缸体(1)，具有活塞(12)和活塞杆(3)；
第二缸体(31)同轴地安装在上部，第二缸体(31)具有比第一缸体(1)更大的直径但更短的长度；
第二缸体具有连接到环形活塞杆(33)的环形活塞(32)的特征；
导管装置(17)，其将环形缸体(31)的油侧和缸体(1)连接在一起。
10.根据权利要求9所述的液压补偿致动器(0)，其中：
环形活塞(32)和环形活塞杆(33)之间的面积比等于或小于活塞(12)和活塞杆(3)之间的面积比。
11.根据权利要求9或10的液压补偿致动器(0)，其中：
连接装置(14)能够是以下至少一个：吊眼、连接叉，但不仅限于此。
12.根据权利要求1所述的液压深度补偿致动器(0)，包括：
中空杆致动器(10)，包括第一缸体(11)、第一环形活塞(12)、中空杆(13)、位于中空杆致动器(10)的每个轴向端部的连接装置(14)和与第一缸体(11)同轴安装并且紧固至缸体(11)的上端的第二缸体(15)；
环形活塞(12)适于在第二缸体(15)的外径上滑动；
第一容积(V1)由中空杆(13)的外径、第一缸体(11)的下端、第一缸体(11)的内径和环形活塞(12)形成，且可以填充油或气体；
第二容积(V2)由第二缸体(15)的外径、第一缸体(11)的上端、第一缸体(11)的内径和环形活塞(12)形成，且可以填充油、气体或处于真空下；
第三容积(V3)由第二缸体(15)的内径、第一缸体(11)的上端、中空杆(13)的内径、中空杆(13)的下端形成，且可以填充油、气体或处于真空下；
深度补偿装置经由导管装置连接到第二容积(V2)或第三容积(V3)。
13.根据权利要求12或13所述的液压深度补偿致动器(0)，其中，深度补偿装置是深度补偿器(20)，其进一步包括：
第三缸体(21)；
活塞(22)；
活塞杆(23)，其暴露于外部压力，连接至活塞(22)，并适于在第三缸体(21)内往复运动；
在第三缸体(21)的下端、第三缸体(11)的内径、活塞(22)的下端和活塞杆(23)的外径之间形成第五容积(V5)，其可以填充气体或处于真空下；
在第三缸体(21)的上端、第三缸体(21)的内径和活塞(22)的上端之间形成第六容积(V6)，其可以填充油；
导管装置，其在第六容积(V6)和第二容积(V2)之间。
14.根据权利要求12-14所述的液压深度补偿致动器(0)，其中，深度补偿装置是基于环的深度补偿器(30)，进一步包括：
第五缸体(31)；
第二环形活塞(32)，其适于任何缸体的外径(图4中用虚线示出)的滑动运动；
环形活塞杆(33)，其连接到环形活塞(32)，暴露于外部压力并适于在第五缸体(31)内往复运动；
在第五缸体(31)的上端、环形活塞杆(33)的内径和第二环形活塞(32)之间形成第八容积(V8)，其可以填充气体或者处于真空下；
在第五缸体(31)的上端、环形活塞杆(33)的外径、第五缸体(31)的内径和第二环形活塞(32)之间形成第九容积(V9)，其可以填充气体或者处于真空下；
在第五缸体(31)的上端、第二环形活塞(32)的上端、第五缸体(31)的内径之间形成第十容积(V10)，其可以填充油；
导管装置，其在第十容积(V10)和第二容积(V2)之间。
15.根据权利要求12至14中的一项所述的液压深度补偿致动器，其中，油由任意流体替代，和/或气体由任意流体替代，和/或真空由任意流体/气体替代。
16.根据权利要求1至15中的一项所述的深度补偿致动器(10)的一种用途，其中，深度补偿致动器(10)通过将致动器(10)连接到气体蓄积器而用于主动起伏补偿，所述气体蓄积器包括以下元件：
-第一蓄积器缸体(42)；
-第二蓄积器缸体(45)，其具有比第一蓄积器缸体(42)小的直径，
-活塞(40)，其构造为在第一蓄积器缸体(42)内往复运动，其将第一蓄积器缸体(42)分为第九容积(V9)和第十容积(V10)，并且活塞杆(41)固定至活塞(40)，并且从活塞(40)突出，活塞杆(41)的相反端位于第二蓄积器缸体(45)内的位置，以及
-第一导管装置(43)，用于构建在气体蓄积器的容积(V9)和致动器的容积(V1)之间的流体连通；以及
-第二导管装置(44)，用于构建在蓄积器容积(V11)和致动器容积(V3)之间的流体连通，可逆泵(37)形成第二导管装置(44)的一部分。
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