CN109715941B - 一种用于燃料的泵送系统和泵送方法 - Google Patents

Abstract

一种用于燃料的泵送系统和泵送方法包括：多个线性泵(22)，每个线性泵包括一上部动力端(30)和一下部流体端(32)，所述动力端具有线性致动的驱动系统，所述线性致动的驱动系统终止于驱动轴(120)并且可由电子控制器独立控制；所述流体端具有连接到所述驱动轴的活塞(94)，以在气缸内线性地往复运动；所述活塞具有一头部(92)，所述头部具有多个活塞环(98)；一入口通道(80)，从一入口罐(52)通向每个气缸的下端并与所述活塞的头部正下方的顶部空间形成阀门连通，其中所述活塞的向上运动在所述顶部空间中产生负压梯度，该负压梯度足以允许高压燃料进入所述顶部空间，并且所述活塞的向下运动将高压燃料通过下部流动通道排出并进入所有气缸共用的出口；一密封壳体(24,26)，其设置在线性泵周围，以容纳高压低温燃料的任何溢出物。所述系统的操作包括单独的线性泵(22)的协调致动，以产生无脉冲输出压力分布。

Description

一种用于燃料的泵送系统和泵送方法

技术领域

本公开涉及一种特别用于船舶服务高压气体泵，更具体地，涉及一种模块化线性驱动的高压泵，用于船舶、工业气体和替代能源燃料系统等高压燃料系统的应用，例如船用液化天然气(LNG)泵。

背景技术

全球能源需求逐年上升，现存石油储备逐渐枯竭，寻找替代能源的工作也扩展到了海洋深处，需要大量的投资成本。能源政治策略的普遍变化使核能和煤炭发电失去了普及，而来自美国和中东的天然气正在成为一种可行的替代品。政局的不稳定也促使各国开发独立于管道供应的能源政策。在这种情况下，推进使用LNG而不是柴油或燃油的大型货船是一个明显的解决方案。现代化LNG油轮需要高度可靠的推进系统，因为发动机可用性是至关重要的。

一种典型的LNG船舶推进系统包括一LNG油轮、燃油供应系统和压力下接收LNG的推进发动机。LNG储存于低温(低于-150℃、-238°F或123K)高压下，典型地约在250psi和-260°F下。当前可获得的用于高压低温LNG的燃料供应系统易受各种机械源的影响而泄漏或故障。

这种泄漏会缩短LNG泵送设备的使用寿命并增加维修工作量。同样地，用于液氮(LN2)、液氩(LAR)和液氢(LH2)等其他工业气体的服务泵也有泄漏和伴随的维修问题。

此外，氢被视为一种未来的运输燃料。在从原油中生产运输燃料的过程中，氢的使用正在迅速增加，并且氢的使用在焦油砂源自石油的情况下是至关重要的。氢可以与CO2合并制成甲醇或二甲醚，其很有可能成为重要的运输燃料。核能可用于使氢电解，并且将来很有可能使用高温反应器来热化学氢。今天用于生产氢所需的能源可能超过生产电所需的能源。

因此，仍然需要一种用于LNG/LH2/LN2/LAR及其他用途的高压泵，其具有更长的寿命且更易维修。

发明内容

本发明的实施例旨在提供一种用于LNG/LH2/LN2/LAR及其他用途的高压泵，其简化和减少了当前系统的尺寸，并且寿命周期增加了200-500％，显著减少了运行成本且更易于维护。

在一个实施例中，用于从燃料源泵送高压低温燃料以提供平滑、无脉冲输出的系统包括多个线性泵，每个线性泵包括串联的上动力端和下流体端，动力端具有线性致动驱动系统，该线性激活驱动系统终止于沿轴线性地往复运动的驱动轴。每个泵的动力端驱动系统通过包含在多轴电子控制器内的软件独立控制，并且每个线性致动驱动系统可在低调节比下运行，以每分钟约1个循环的输出速度。下流体端中没有填料密封，这减少了磨损，并延长了系统的运行寿命。流体端具有一活塞，其与动力端的驱动轴耦合以线性地在液压缸内作往复运动，活塞具有一带有多个活塞环的头，活塞环分布在头上以提供与液压缸的内腔的密封滑动接触。入口罐接收并储存来自燃料源的高压低温燃料，入口通道从入口罐通向每个液压缸的下端。入口通道通向位于其中的活塞头正下方的头部空间进行阀连通，其中，在头部空间中活塞的向上运动产生足以允许高压燃料进入头部空间的负压梯度，并且在头部空间中活塞的向下运动使高压燃料通过下流动通道排出并进入所有液压缸共用的出口。一密封壳体设置在一个或多个线性泵的周边，并且密封以容纳从液压缸中逸出的任何高压低温燃料。有利地，系统的操作包括单独泵的协调致动，以产生无脉冲的输出压力分布曲线。

一个用于从燃料源泵送高压低温燃料以提供平滑、无脉冲的输出的示例性方法包括：提供一泵送系统，该泵送系统具有多个线性泵，每个线性泵包括串联的上动力端和下流体端。动力端具有线性致动驱动系统，该线性致动驱动系统终止于沿轴作线性往复运动的驱动轴，并且每个泵的动力端驱动系统通过包含在多轴电子控制器内的软件独立控制。有益地，下流体端没有填料密封以减少磨损且延长操作寿命。每个线性泵的流体端具有一活塞，其与动力端的驱动轴耦合以线性地在液压缸内作往复运动，且多个线性泵的液压缸安装在一起并且具有通向共同输出口的输出流动通道。该方法包括从燃料源向多个线性泵的每个液压缸的输入通道供应低温燃料。驱动该驱动系统以移动多个线性泵中每个泵的驱动轴和耦合的活塞，从而将低温燃料拉入各自的液压缸，并通过出口中流动通道将低温燃料排出到共同的出口中。独立的线性泵的协调致动导致无脉冲的输出压力分布曲线。最后，在一个或多个线性泵的周边设置一密封壳体，该壳体密封以容纳从液压缸中逸出的任何高压低温燃料。

在一个实施例中，低温燃料是液态天然气，其储存于低于-150℃的温度下，并且密封的壳体保持与储存的液态天然气大约相同的内部压力。优选地，每个线性致动驱动系统在低调节率下操作，以大约每分钟1个循环的输出速度。

在一个实施例中，每个动力端驱动系统包括具有沿轴对齐的旋转滚珠丝杠形式的执行器的机电执行器，并且该系统包括用于监测执行器的旋转运动的传感器，和配置成保持驱动轴及活塞的位置、速度和加速度组件的闭环控制系统。可替代地，每个动力端驱动系统包括一位于驱动轴上方的液压缸，该驱动轴的向上向下运动通过电子伺服阀控制。液压缸驱动系统还包括一线性差动变压器(LVDT)，其安装在液压缸上以监测液压缸内活塞的位置，以及一配置成保持驱动轴及活塞的位置、速度和加速度组件的闭环控制系统。

在多个线性泵的周边可具有一整个外壳。在这种情况下，优选设置有一共同的下歧管板，每个线性泵安装于其上并且在其内部形成每个线性泵的下流动通道。该整个外壳可以包括一上壳体和下壳体，上壳体固定于下壳体上，上壳体通常围绕上动力端，下壳体通常围绕下流体端，其中，没有导管附接到上壳体，因此，上壳体可以轻松从下壳体移除以维修动力端驱动系统。可替代地，在多个线性泵的每个泵的周边可密封有一单独的外壳，并且还包括一共同的下歧管板，每个线性泵安装于其上并且在其内部形成有每个线性泵的下流动通道。

理想地，入口罐位于多个线性泵的正下方，并且歧管板设置在入口罐的上方，多个线性泵附接到该歧管板上，并且在该歧管板内部形成每个线性泵的下流动通道。

在特定的实施例中，每个液压缸的入口通道之间的阀子系统在液压缸下端的机油箱室打开，机油箱室位于液压缸和彼此堆叠在一起的两个阀构件的下端之间。阀构件具有轴向对准的通道，其从机油箱室通到活塞头正下方的头部空间，其中，在头部空间缺少负压梯度的情况下，一提升阀偏置与靠近通道上端的上阀构件接触。阀构件还限定从头部空间到位于液压缸外部的下流动通道的流动端口，该下流动通道导向共同的出口。因此，在头部空间内，活塞的向上运动产生足以提高提升阀的负压梯度，以允许高压燃料进入头部空间，以及活塞的向下运动关闭提代阀，以将高压燃料通过流动端口，下流动通道进入共同的出口。

附图说明

在整个说明书中，图中出现的元素被分配为三位数的参考符号，其中第一位数字是引入元素的图号，后两位数字是特定于该元素的。可以假定未结合附图描述的元素具有与先前描述的具有相同参考符号的元素相同的特性和功能。

图1是本申请的示例性高压LNG/LH2/LN2/LAR泵系统的外部透视图。

图2是图1泵系统的剖示图，示出了三个内部线性泵中的两个，其中一个示出了部分剖示图。

图3A是线性泵中的一个的透视图，图3B和3C是内部泵的部分局部剖视图。

图4是线性泵中的一个的下端放大图，图4A和4B是其部分放大图。

图5是图4的内部泵的下端的爆炸图。

图6是利用液压驱动系统的本申请的可替代泵系统的垂直剖视图。

图7具有独立密封的线性泵的本申请的可替代高压LNG/LH2/LN2/LAR泵系统的透视图。

具体实施方式

本申请公开了一种改良的模块化、线性致动的高压LNG/LH2/LN2/LAR泵系统，特别用于与高压燃料系统一起应用的船舶中。术语“线性驱动”指的是不依赖于将旋转运动转换为线性运动的传统模块的系统，传统模式经常产生强烈的振动，因此线性致动机构可以产生平滑的功率分布曲线。当然，当前公开的泵系统可以用于具有类似优点的船舶以外的运输应用，包括火车、卡车和公共汽车。高压LNG泵在其他非运输领域也是有用的，包括工业气体和替代燃料应用。而且，尽管用于加燃料的液态天然气体是可以使用本系统被泵送的主要商品，但液氮、氢、氩和其他低温液态烃也可以使用本文所述的泵进行处理。本文所公开的泵系统具有更小的尺寸、更长的寿命、更低的操作成本和更易于维护。

在详细描述高压泵系统的示例性的特性之前，有必要理解现有机制泵中存在的缺点。以下讨论不是要承认其是现有技术中的内容，而是对现有系统中证人的申请人的承认。

部分i：传统往复运动泵

目前的往复泵技术包括两个主要部件：“动力端”(通常称为“驱动端”或“热端”)和作业的“流体端”(通常称为“冷端”)。这些泵可以配置成单缸布置或围绕共同的曲轴的多缸布置。以下段落将讨论具有“单作用”类型的往复泵，这意味着当动力端允许/引起活塞朝向曲轴运动时，流体端将在吸入压力下吸入流体，紧接着通过活塞被反转离开曲轴，以相对较高的排出压力从流体端排出流体。

往复泵的性能通常受到所谓“杆载荷”的特性的限制，该载荷是由于泵的排出压力作用在流体端的活塞区域而施加到泵的驱动上的载荷。较小的活塞在达到杆载荷极限之前允许更高的压力，但是这会降低泵的流量。相反地，如果活塞尺寸增大，泵的流量会增加，但是这会减小泵的排出压力的最大值。通过成比例地增加泵的动力端的尺寸实际可以增加这些泵的杆载荷能力。

动力端：

传统的动力端的设计是旋转运动以赋能，然后转换成线性运动，以通过动力端的内部组件赋能。这些内部组件通常属于两种配置中的一种。

第一种配置是凸轮/从动件类型，其中有一个偏心装置安装在或集成在动力端的曲轴上，工作活塞靠在该偏心装置上并通过该偏心装置移动。这种设计具有的优点是相当简单和便宜，但是它具有一些局限性。第一个主要的局限性是工作活塞必须始终保持负载，以使其靠在偏心轮上防止“短冲程”。通常，这是通过在活塞上提供足够的吸入压力来实现的，以使活塞牢牢地压在偏心装置的表面上。

第二种配置是连杆/十字头活塞配置。在这种配置中，使用轴承(通常为非摩擦滚动元件类型或液压油轴承类型)将连杆的一端同心安装在偏心装置周围，作为偏心装置外径和连杆内径之间的接口。流体动力轴承类型具有“非接触”轴承的优点，因此仅在启动、停止和某些异常情况下磨损。流体动力轴承还具有能够使用油膜的优点，油膜包括流体动力轴承作为一种缓冲，以吸收通常与往复泵的气蚀破坏条件有关的冲击载荷。最后，流体动力轴承设计相当紧凑，使动力端的整体尺寸大大小于滚动轴承设计，并且更容易制造和组装。滚动轴承的优点是允许非常低的调节比，因为它们不依赖于建立流体动力油膜(以及因此依赖于轴承的切向速度)来发挥作用。也可以用润滑脂润滑滚动轴承，而不需要油系统或冷却系统。

不管具体的轴承配置或其他具体的内部细节如何，凸轮/从动件和连杆/十字头活塞配置都有一些缺点。第一个是驱动器的总体尺寸和复杂性，它包含创建线性运动所需的所有组件。这些部件的制造成本通常相当高，尺寸和重量相对较大。磨损组件(主要是密封件和轴承)必须定期更换，更换起来很麻烦，而且通常在发生故障时会造成一定程度的附带混乱或损坏。第二个缺点是，这种类型的所有泵都会在泵的上游和下游产生和诱导脉动流。这是传统往复泵固有的特点，因为它们将旋转运动转化为直线运动，这意味着入口和出口的流动形成了正弦波。这些脉动会对泵的入口侧产生不利影响，通常被称为“加速压头损失”，或者换句话说，必须不断加速和减速泵吸入口上游的整个液柱所产生的损失。下游脉动通常会导致排放管道中的谐波振动，从而导致系统部件和/或管道本身的失灵和/或故障。为了解决这个问题，必须在系统中添加阻尼装置，通常以高压蓄能器的形式，这种蓄能器通常被称为“调压室”。这些设备往往是高度工程化的编码容器，而且往往昂贵和难以生产。

流体端：

一个典型的往复流体端有各种不同的配置，但一般来说，始终有一个入口，出口，入口止回阀，出口止回阀，活塞和填料密封。填料密封通常是塑料材料，通常是聚四氟乙烯(PTFE)和玻璃纤维或碳等结构改性剂的混合物。

流体端部通常由一系列歧管供给，这些歧管输入及输出工艺流体，以实现适当的功能。这些歧管包括从简单的管道，到集成阀和仪表的复杂制造的管道歧管，再到用于收集高压排放流体的高压块式集管。这些歧管往往有些复杂、昂贵，并且是多个管道和管道连接的主体，如果这些连接没有得到适当维护，通常会导致泄漏，这些泄漏的影响将在下一段中描述。

流体端的一种失效模式通常是填料磨损，允许工艺流体(通常是有害物质)泄漏到“动力端”和“流体端”之间的中间空间中。在冷冻剂的情况下，这几乎总是被认为是危险的，因为非爆炸性物质的大量泄漏会造成窒息危险。爆炸性物质(如氢和轻烃)也会带来这种风险，但还会带来不必要的燃烧风险。在任何一种情况下，这些风险都是通过昂贵且有时复杂的净化和泄漏检测系统来处理的，该系统既用作填料失效的安全壳和指示系统。在正常情况下，引起填料密封磨损的因素是压差，活塞速度，操作循环次数，摩擦，活塞与填料不对齐以及来自动力端的残余径向运动。

典型的二次失效模式是活塞环。在正常和健康的工作条件下，活塞环的寿命将明显长于填料(尽管在不利条件下，活塞环有时会在填料之前失效)。失效的活塞环不会对环境造成威胁；但是，这种类型的失效将导致流动和排放压力性能的轻微至严重损失，具体取决于磨损程度。在正常情况下，导致活塞环磨损的因素有压差、活塞速度、工作循环次数、摩擦、活塞与活塞环的角度偏差以及动力端的残余径向运动。

本申请公开了解决传统往复泵中的上述缺点的泵系统。本泵系统受益于线性驱动，其平功率分布曲线平滑。如上所述，术语“线性致动”是指避免将旋转运动转换成线性运动及其伴随的振动能量的系统。没有动态密封件，这可以防止泄漏。平稳、无脉冲输出和缺乏动态密封的主要好处在于延长了泵的使用寿命。

图1是目前应用的示例性高压LNG/LH2/LN2/LAR泵系统20的外部的透视图，图2是泵系统的剖视图，示出了三个内部线性泵22中的两个，其中一个是部分剖面的。应该理解的是，每个系统中的线性泵22的数量根据模块化设计的不同会有很大的差异，但通常在2-12之间。系统20具有一个外部密封壳体，优选地被分成一个上壳体24和一个下壳体26，该上壳体24用螺栓固定在下壳体26上。每个内部线性泵22包括一个上驱动单元30(在这种情况下为机电执行机构)和一个下流体分配柱32(包括流入和流出阀)。

上壳体24有一个扩大的环形法兰40，用螺栓固定在下壳体26顶部的扩大法兰42上。上驱动装置30位于上壳体24内，无任何导管连接，因此可以拆下钟形上壳体，以维修线性泵的任何驱动组件。例如，可以拆下上壳体24的上盖43以接近位于其内的驱动单元30。

每台机电或液压驱动泵的下流体分配柱32向下延伸到由壳体定义的内腔中，穿过法兰40、42进入下腔44。下壳体26的下端有一个环形法兰48，该环形法兰48用螺栓连接到下歧管板46上，该下歧管板46夹在第二个环形法兰50上。第一个法兰48固定在下壳体26的外部，而第二个法兰50固定在下燃油储存罐52上。尽管燃油储存罐52显示在泵系统20的正下方，但它可能位于系统上方或下方。优选地，所示的燃油储存罐52只是一个从远距离主罐(未显示)供应加压燃油的储存罐。上驱动单元30和下流体分配柱32的外壳位于所附壳体24、26内，以为泵系统提供密封环境。因此，系统中线性泵22的任何泄漏都将包含在共同壳体24、26的空间中。此外，壳体24、26内的压力可保持在或非常接近输入燃油的压力，这大大减少了活塞/缸塞系统内的泄漏。

参考图1，显示了从泵系统20延伸出的许多导管。下流体导管60包括一个燃料入口，该燃料入口通向泵系统下方的储存罐52。中间流体导管62通向下壳体26内的下腔44，以液位调节控制。最后，上流体导管64也通向腔室44，以允许压力控制。一对较大的仪表导管70、72，通向下腔44，并为连接到线性泵22的驱动单元30的一些电力和电气仪表电缆(未显示)提供引线。由于导管70、72连接到下壳体26，因此可以很容易地拆下上壳体24以维修驱动装置30。

图1还显示了流体入口箭头74和流体出口箭头76。如前所述，来自远距离罐的流体通过下流体导管60进入由储存罐52定义的内部腔。图3A是一个透视图，图3B和3C是一个线性泵22的局部剖视图。图4是一个线性泵的下端的放大图，图4A和4B是其中一部分的分解图。最后，图5是内部泵下端的透视分解图，应结合组装图参考此图中所示的组件。

图3B显示了一对流动通道78，该流动通道78垂直延伸穿过将储存罐52连接到每个线性泵22的流体分配柱32的下内部腔的歧管板46。图3C和4B显示了多个垂直通道80中的一个，从下机油箱室82向上通过一对彼此堆叠的阀构件84、86。通道80优选围绕阀构件84、86的共轴均匀分布，并且无论在何处有2-16个通道(见图5)。垂直通道80在环形提升阀88下方的上阀件84顶部的上端打开。提升阀88上方是一个头部空间90，刚好位于活塞94的头92下方。

如上所述，上部驱动单元30(机电或液压致动器)用于以周期性方式线性驱动活塞94。通过在柱32内滑动的活塞94的上下运动从储罐52中抽出流体并最终通过歧管板46中的第二流动通道96(见图2和3C)将该流体排出，该第二流动通道96通向图1中流体出口箭头76所示的出口。应当理解，多个下部流动通道96通向单个出口76，该出口76为多个线性泵22所共用。所述多个线性泵22的协调致动使得可以通过该公共出口实现平滑恒定的输出压力分布。

活塞94的头部92具有一系列垂直间隔开的活塞环98(见图4B和图5)，活塞环98提供与套管构件100的内腔密封滑动接触。套管构件紧密安装在流体分配柱32的下壳体部分101的内圆柱形腔体中。活塞94的向上运动在顶部空间90内产生负压梯度，该负压力梯度又将流体从贮槽腔室82拉出通过垂直通道80。提升阀88通过提升阀和下阀构件86之间的螺旋弹簧102来保持通道80的上端闭合，直到顶部空间90内的抽吸超过预定量为止。在下壳体部分101的上端处，管状密封件104防止任何流体或气体从套管构件100内逸出经过活塞94。

一旦活塞94到达其行程的顶部，提升阀88就在垂直通道80上方关闭。活塞94的向下运动迫使流体通过中心流动端口110吸入顶部空间90，其中中心流动端口110与上阀构件和下阀构件84,86对齐。如图3C所示，然后通过歧管板46中的第二流动通道96，例如通过单向阀，将流体排出。

上述下部流体分配柱32的组件的特性在于集成的抽吸，排放和液压(适用时)歧管，以减少所需密封件的数量，从而减少泄漏。

更具体地，进气歧管(即，歧管板46和流动通道78,80)，排出歧管(歧管板46，中心流动端口110和流动通道96)和排气歧管直接集成到泵中，从而无需在泵送系统中装配和安装上述进气歧管、排出歧管和排气歧管，这大大减少了所需的配件数量。“排气歧管”包括密封壳体的内部，如上所述，该密封壳体的内部优选地保持与入口燃料相同的压力。

参考图4和图4A，应该注意的是，活塞94由从上部驱动单元30向下悬垂的输出轴120驱动。如图5中的分解图所示，输出轴120通过连接组件122连接到活塞94。图3示出了流体分配柱32的上部壳体部分126中的一对径向相对的窗口124中的一个。一旦需要修理/更换上部驱动单元30或流体分布柱32的部件，就可以通过窗口124来安装/移除连接组件122。换言之，通过连接组件122可以轻松分离这两个主要单元。

图6是利用液压装置的本申请的替代泵系统140的垂直剖视图。更具体地，替代泵系统140的元件与上述用于机动系统的元件相同，但是上部驱动单元30包括液压活塞/缸总成142。即，连接到连接组件122的输出轴144具有上头部146，上头部146形成活塞/缸总成142的活塞。通过加压流体，优选液压油，循环地引入和抽出到上部气缸室148中将驱动输出轴144，输出轴144又驱动主活塞94。尽管未示出，但是线性可变差动传感器(LVDT)理想地安装在液压缸沿线的某个位置，并且用于恒定地且直接地监测液压活塞在气缸内的位置。结合反馈和控制软件，LVDT可以非常精确地控制液压活塞的位置、速度和加速度。

图7是本申请的替代高压LNG/LH2/LN2/LAR泵系统200的透视图，其具有单独密封的线性泵。如上所示，系统200包括一系列内部线性泵(未示出)，每个内部线性泵具有上部驱动单元和下部流体分配柱，下部流体分配柱包括流入和流出阀。然而，外部壳体24,26并没有包围所有的单个泵单元，而是每个泵单元都密封在其自身的大致管状的外部壳体202内。因此，任何一个泵中的任何泄漏都将包含在其自己的密封壳体202内。下部圆形歧管板206包括必要的歧管、端口和流动连接，以便于所需的流体传输。未示出一些连接，并且应当理解，壳体202内的每个单独的泵以与上述容纳在共同外壳内的那些泵相同的方式发挥作用。

目前公开的泵在许多方面明显偏离传统的往复泵技术。虽然仍然存在“动力端”和“流动端”，但是这些组件的体系结构以及它们彼此交互的方式已经发生改变。该泵送系统的所有部件都被结合到密封壳体24,26中，完全消除了危险流体泄漏到大气中这一中心问题，并且不再需要监测和防止泄漏所需的基础设施。进气歧管、排出歧管和排气歧管直接集成在泵中，从而无需在泵送系统中装配和安装上述进气歧管、排出歧管和排气歧管，同时通过大幅减少所需配件的数量，泄漏的风险将不复存在。

当配置为多缸单元(例如，如图所示的三个单元30)时，示例性泵证实了其最大功能和效率，其中所述多缸单元具有单个或双作用流体端。气缸以垂直布置布置。与传统的往复泵不同，本泵的每个气缸都是独立可控的，允许前所未有的流量控制，压力控制和调节比。本泵不仅仅取代传统的往复泵；它还消除了操作传统往复泵所需的大量支持基础设施的要求，使其不再是新的泵机解决方案，而是新的泵送系统解决方案。

动力端：

本泵的动力端可用作液压驱动或电动单元。与传统的往复泵动力端相比，电动和液压驱动单元虽然在机械上不同，但具有相同的优点。

与传统的动力端不同，本发明的泵动力端提供纯粹的线性运动(而不是被转换成往复运动的旋转运动)。此外，每个气缸上的驱动单元可独立控制，因为它们不像传统设计那样通过曲轴机械连接。每个驱动器都是电子控制的，并且可以具有专门满足各种应用和特定应用内的具体操作的位置、速度和加速度等参数。

第一种驱动方法是使用液压缸来驱动流体端。活塞的线性行进速率由进入液压缸的流速和液压缸内活塞的直径决定。液压缸的最大“杆负载”是该气缸内活塞面积和作用在气缸上的液压的函数。这种布置的好处是可以通过增加液压或增加液压活塞的直径来增加杆的负载能力。通过电子伺服阀控制流入液压缸的流速。该伺服阀通过多轴电子控制器中包含的软件进行控制。该控制器的输入优选地通过安装在液压缸上的线性可变差动传感器(LVDT)提供。该传感器不断地直接监测气缸内液压活塞的位置。这些部件一起形成闭环控制系统，该闭环系统能够非常精确地保持液压缸运动的位置、速度和加速度分量。

第二种驱动方法是使用机电致动器来驱动流体端。实质上，该致动器是由集成电动机驱动的滚珠螺杆。致动器的线性行进速率与电动机的速度成正比。致动器的最大杆负载基本上是可用电动机转矩的函数。通常可以通过增加电动机的尺寸或安培容量来增加该杆负载。电动机的转矩和速度由专门的电动机驱动控制器(类似于变频器)控制。通过电动机的旋转位置和转数来控制致动器的位置。通过电子旋转换向器监控这些参数。控制器使用换向器的输出来计算电动机转数，然后利用滚珠螺杆的螺距来计算致动器的轴向位置。这些部件一起形成闭环控制系统，该闭环系统能够非常精确地保持机电致动器运动的位置、速度和加速度分量。

在这些情况中的每一种情况下，驱动系统要比传统的往复泵动力端简单得多。这固有地增加了驱动系统的整体可靠性。当需要维护时，可相对简单地接触到驱动部件。通过板载仪器可以检测到故障。这些故障通常不会是灾难性的，因为每个气缸上的驱动器没有彼此机械连接。在发生故障的情况下，可以独立地关闭气缸，并且以减少的输出或增加的占空比继续操作该泵送系统。如图7中的实施例所示，如果这些泵都是单独密封的，则上述操作就特别简单。

每个气缸的运动可以适合于任何所需的曲线。这是有利的，因为它允许消除传统往复式动力端所经历的正弦放电曲线。相反，可以调整放电曲线以提供恒定的无脉动输出流量和压力。这有效地消除了加速度头损失，大量系统振动，同时消除了对复杂且昂贵的基础设施(例如，“调压室”)的需求，该基础设施传统上用于补偿压力脉动和振动的。

这些驱动系统的设计使得它们(不像传统的动力端那样)依赖于驱动器的速度来保持适当的润滑。这意味着本发明的泵可以“降低”到令人难以置信的低流速，提供接近无限的调节比，这是传统技术所无法实现的。例如，尽管该系统可以以每分钟1个循环的低速运行，但是本泵送系统的最大运行速度优选为每分钟约120个循环。

流体端：

与典型的往复流体端类似，本发明的泵流体端具有入口、出口，入口止回阀、出口止回阀和活塞，但是与先前的设计不同，该流体端没有填料。

本泵的流体端不是由一系列复杂的歧管进给，而是由直接集成到本泵的主体中的进气歧管和排出歧管的组合所进给。此设计中没有管、管道或配件。冷端是通过上述歧管直接安装到泵结构中。排出气体无害地流入本泵密封结构的环形空间中。与传统技术相比，本泵上的工艺连接件优选从几十个明显减少到小于10个，更优选到只有3个或4个。

传统技术中的主要失效模式通常是填料磨损，允许工艺流体泄漏到大气中。本泵设计中没有填料。流体端部容纳在密封的泵壳中。该泵壳保持与供给泵的流体相同的压力。因此，从冷端的内部到外部没有差压来促进泄漏流动，从而不需要填料。拆除填料后，新的主要失效模式是活塞环，这些物品的使用寿命通常比填料长得多。为了进一步延长流体端的寿命，本泵送系统的最大操作速度约为每分钟120个循环。

总之，这种整体架构提供了多种优点，包括但不限于以下优点：

·密封设计

·无填料冷端消除了主要磨损部件

·最大寿命为每分钟最多120次循环(平均20000个小时进行一次彻底检修)

·接近无限调节比

·液压驱动或电动

·集成的吸入歧管、排放歧管和液压(适用时)歧管

·内置冗余

·无脉动操作(无需调压室)

·具有集成的水-乙二醇蒸发器

本公开提供了一种高压泵，其通常用于具有高压燃料系统的应用，这些高压染料系统例如船舶系统、工业气体系统和替代能源燃料系统。该示例性泵的设计旨在相对于当前设计简化和减小尺寸，并且关注点在增加200-500％的使用寿命，显著减少操作成本和更易维护。这种设计的特点将包括130GPM的流量，高达900-1000bar的排放压力，完全包含和密封的包装，以及使用线性机电或液压驱动的驱动/控制。通常以一组两(2)个单元来出售以实现100％冗余，但是该设计使得其允许在气缸故障的情况下以减小的容量继续操作单个单元。

结束语

在整个说明书中，所示的实施例和示例应被视为示例，而不是对所公开或要求保护的装置和过程的限制。尽管本文给出的许多示例涉及方法动作或系统元件的特定组合，但是应该理解，那些动作和那些元件可以以其他方式组合以实现相同的目标。仅结合一个实施例讨论的动作、元件和特征不旨在排除其不能在其它实施例中担任类似的角色。

Claims (24)

1.一种用于燃料的泵送系统，其特征在于，包括：

包含在一多轴电子控制器内的软件；

多个线性泵，每个线性泵包括：

i.一上部动力端和一下部流体端，所述动力端具有线性致动的驱动系统，所述驱动系统终止于沿一轴线线性地往复运动的驱动轴；

ii. 每个泵的动力端驱动系统可通过包含在所述多轴电子控制器内的所述软件独立控制；

iii. 所述流体端具有连接到所述动力端的所述驱动轴的活塞，以在一流体缸内线性地往复运动，所述活塞具有一头部，所述头部具有分布在其上的多个活塞环，多个活塞环提供与所述流体缸的一内腔的密封滑动接触；

iv. 在所述活塞和所述流体缸之间没有填料密封；

v. 一入口通道，入口通道与低温液体源流体连通且通向每个流体缸的下端并与顶部空间形成阀门连通，所述顶部空间朝向位于其中的所述活塞的头部打开且位于其下方，其中所述活塞的向上运动在所述顶部空间中产生负压梯度，该负压梯度足以允许低温燃料进入所述顶部空间，并且所述活塞的向下运动将低温燃料通过下部流动通道排出并进入所有流体缸共用的一个出口；

一密封壳体，其设置在一个或多个线性泵周围，并且完全封闭所述一个或多个线性泵，所述线性泵包括每个泵的上部动力端和下部流体端，所述壳体被密封以容纳从所述流体缸内逸出的任何低温燃料；以及

其中所述系统的操作包括单独泵的协调致动，以产生无脉冲输出压力分布。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，每个动力端驱动系统包括一机电致动器，所述机电致动器具有沿着所述轴线对齐的旋转滚珠螺杆形式的致动器，并且所述系统包括用于监测所述致动器的旋转运动的一传感器和被配置成保持所述驱动轴和所述活塞的位置、速度和加速度分量的一闭环控制系统。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，每个动力端驱动系统包括位于所述驱动轴上方的液压缸，所述液压缸通过电子伺服阀控制其上下运动。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，还包括安装到所述液压缸的一线性可变差动传感器，所述线性可变差动传感器监测所述活塞在所述流体缸内的位置，以及一闭环控制系统，其被配置成保持所述驱动轴和所述活塞的位置、速度和加速度分量。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，存在围绕多个线性泵密封的单个外部壳体。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，还包括一公共下部歧管，每个线性泵的下部流动通道连接所述公共下部歧管。

7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述外部壳体包括一上部壳体，所述上部壳体围绕所述上部动力端并且固定到围绕所述下部流体端的一下部壳体，并且其中没有导管附接到所述上部壳体，使得可以轻松移除所述上部壳体以用于维修所述动力端驱动系统。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，存在围绕所述多个线性泵中的每一个的密封的单独的外部壳体，并且还包括一公共下部歧管每个线性泵的下部流动通道连接到所述公共下部歧管。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，一入口罐位于所述多个线性泵的下方，用于接收和储存低温燃料，并且所述系统包括一歧管，所述歧管设置在所述入口罐上方，每个线性泵的入口通道连接到所述歧管。

10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，每个流体缸的入口通道之间的阀门子系统在所述流体缸的下端处的贮槽腔室处打开，所述贮槽腔室位于所述流体缸、彼此堆叠的两个通道限定构件的下端、一上部通道限定构件和一下部通道限定构件之间，其中所述通道限定构件具有在其中轴向对齐的通道，所述轴向对齐的通道从所述贮槽腔室通向一顶部空间，所述顶部空间朝向所述活塞的头部打开且位于所述活塞头部的下方，并且其中提升阀被偏移成与所述上部通道限定构件接触，以在所述顶部空间中没有负压梯度的情况下关闭通道的上端，所述通道限定构件进一步限定了穿过所述顶部空间到所述流体缸外部的所述下部流动通道的流动端口，所述流动通道通向公共出口，其中所述活塞的向上运动在所述顶部空间中产生负压梯度，所述负压梯度足以升高所述提升阀并允许低温燃料进入所述顶部空间，并且所述活塞的向下运动关闭所述提升阀，并通过所述流动端口、下部流动通道以高压排除低温燃料，进入所述公共出口。

11.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，每个线性致动驱动系统可以每分钟120个循环的最大操作速度操作，并且可以下降至每分钟1个循环的操作速度操作。

12.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，每个泵的所述动力端驱动系统可使用由集成电动机驱动的机电致动器独立控制，其中所述电动机的转矩和速度由电动机驱动控制器控制，而所述致动器的位置由旋转位置控制，所述电动机的转数由电子旋转换向器监测，并且其中所述控制器使用所述换向器的输出来计算电动机转数，然后计算所述致动器的轴向位置以形成闭环控制系统，所述闭环控制系统能够保持所述机电致动器的运动的位置、速度和加速度分量，使得单独泵的协调致动导致无脉冲输出压力分布。

13.一种燃料的泵送系统的泵送方法，其特征在于，包括：

提供一泵送系统，其具有多个线性泵，每个线性泵包括串联的一上部动力端和一下部流体端，所述动力端具有一线性致动的驱动系统，所述驱动系统终止于沿一轴线线性地往复运动的驱动轴，所述系统具有包含在一多轴电子控制器内的软件，并且每个泵的动力端驱动系统通过包含在所述多轴电子控制器内的所述软件独立控制；

其中每个线性泵的流体端具有连接到所述动力端的所述驱动轴的活塞，以在流体缸内线性地往复运动，每个线性泵在所述活塞和所述流体缸之间没有填料密封，以减少磨损并延长使用寿命，同时所述多个线性泵的所述流体缸具有通向一公共出口的出口流动通道；

将燃料源的低温燃料供应到所述多个线性泵的每个中的流体缸的一个入口通道中；

致动所述驱动系统以转移所述多个线性泵中的每一个的驱动轴和联动活塞，以将低温燃料拉入相应的流体缸并将低温燃料通过所述出口流动通道排出到所述公共出口，并协调单独的线性泵的致动以产生无脉冲输出压力分布；以及

在一个或多个线性泵周围提供密封壳体且完全密封所述一个或多个线性泵，所述线性泵包括每个泵的上部动力端和下部流体端，所述壳体被密封以容纳从所述流体缸内逸出的任何低温燃料。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，每个动力端驱动系统包括一机电致动器，所述机电致动器具有沿着所述轴线对齐的旋转滚珠螺杆形式的致动器，并且所述系统包括用于监测所述致动器的旋转运动的传感器和被配置成保持所述驱动轴和所述活塞的位置、速度和加速度分量的闭环控制系统，还包括协调所述多个线性泵的致动以产生平滑、无脉冲输出的步骤。

15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，每个动力端驱动系统包括位于所述驱动轴上方的液压缸，所述液压缸通过电子伺服阀控制其上下运动。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，还包括安装到所述液压缸的线性可变差动传感器，所述线性可变差动传感器监测所述活塞在所述流体缸内的位置，以及一闭环控制系统，其被配置成保持所述驱动轴和所述活塞的位置、速度和加速度分量，还包括协调所述多个线性泵的致动以产生平滑、无脉冲输出的步骤。

17.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，设置密封壳体的步骤包括用单个壳体封闭所述多个线性泵。

18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述壳体包括一上部壳体，所述上部壳体围绕所述上部动力端并且固定到围绕所述下部流体端的下部壳体，并且其中没有导管附接到所述上部壳体，使得可以轻松移除所述上部壳体以用于维修所述动力端驱动系统。

19.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，设置密封壳体的步骤包括用单独的壳体封闭所述多个线性泵中的每个线性泵，并且还包括一公共下部歧管，每个线性泵的下部流动通道连接所述公共下部歧管。

20.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，一入口罐位于所述多个线性泵的下方，并且所述系统包括一歧管，所述歧管设置在所述入口罐上方，每个线性泵的入口通道连接到所述歧管。

21.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述低温燃料为在低于-150℃的温度下储存的液态天然气，并且所述密封的壳体保持与所储存的液态天然气相同的内部压力。

22.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，每个线性致动的驱动系统可以每分钟120个循环的最大操作速度操作，且可以下降至每分钟1个循环的操作速度操作。

23.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，每个线性泵的所述动力端驱动系统可使用由集成电动机驱动的机电致动器独立控制，其中所述电动机的转矩和速度由电动机驱动控制器控制，而所述致动器的位置由旋转位置控制，所述电动机的转数由电子旋转换向器监测，并且其中所述控制器使用所述换向器的输出来计算电动机转数，然后计算所述致动器的轴向位置以形成闭环控制系统，所述闭环控制系统能够保持所述机电致动器的运动的位置、速度和加速度分量，使得单独泵的协调致动导致无脉冲输出压力分布。

24.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，每个线性泵的所述动力端驱动系统可使用集成电动机独立控制，其中每个线性泵独立地启动和停止，以具有集成冗余并提供不间断的和无脉冲输出压力分布。

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