活塞压缩机及其运行方法与流程

1.本发明涉及活塞压缩机及其运行方法。


背景技术：

2.文献wo2014/139565a1公开了一种活塞压缩机，其具有水平延伸的气缸，在该气缸中布置有能够沿水平方向往复运动的活塞。此种活塞压缩机的缺点是布置在活塞上的导环和/或密封环会承受相当大的磨损，并且该活塞压缩机仅能以相对低的旋转速度运行。文献de3805670a1公开了一种具有竖向延伸的气缸的活塞压缩机，其中该活塞可被设计为迷宫式活塞或设有锁住的活塞环的活塞。此活塞压缩机也具有产生磨损的缺点。


技术实现要素：

3.本发明的问题在于提供一种更加有利的活塞压缩机，其优选包括布置为能够沿水平方向或竖向运动的活塞。
4.此问题通过具有权利要求1的特征的活塞压缩机解决。从属装置权利要求涉及其他有利的实施例。该问题进一步通过具有权利要求12的特征的方法解决。从属方法权利要求涉及其他有利的方法步骤。
5.此问题尤其通过用于压缩气体的活塞压缩机解决，该活塞压缩机包括气缸、活塞、活塞杆、填料密封、十字头、磁性支承和驱动器，其中所述活塞沿纵向可动地布置在所述气缸中，其中所述活塞通过所述活塞杆连接至所述十字头，其中在所述活塞和所述十字头之间布置有所述填料密封，所述活塞杆穿过所述填料密封，所述十字头由所述驱动器驱动，所述磁性支承布置在所述活塞和所述十字头之间，并且所述磁性支承能够至少垂直于所述纵向地对所述活塞杆施加磁力，传感器布置用于检测所述活塞压缩机的状态变量，所述磁性支承设计为可控磁性支承，控制装置根据状态变量控制所述磁性支承施加至所述活塞杆的磁力。尤其优选地，气缸大体沿水平方向延伸。
6.此问题进一步尤其通过用于压缩气体的活塞压缩机解决，该活塞压缩机包括基本沿水平方向延伸的气缸，还包括活塞、活塞杆、填料密封、十字头、磁性支承和驱动轴，其中所述活塞沿纵向可动地布置在所述气缸中，其中所述活塞通过所述活塞杆连接至所述十字头，其中在所述活塞和所述十字头之间布置有所述填料密封，所述活塞杆延伸穿过所述填料密封，并且其中所述十字头由所述驱动器驱动，其中可控的磁性支承还布置在所述活塞和所述十字头之间，其中所述磁性支承能够至少垂直于所述纵向地对所述活塞杆施加磁力，并且其中控制装置控制由所述磁性支承施加至所述活塞杆的磁力。
7.此问题进一步尤其通过活塞压缩机的运行方法解决，所述活塞压缩机包括在气缸内沿纵向往复运动的活塞，其中所述活塞通过活塞杆被驱动，至少垂直于所述纵向作用的磁力被施加至所述活塞杆，其中检测所述活塞压缩机的状态变量，其中根据所述状态变量控制磁力，并且其中由此通过所述活塞杆向所述活塞施加磁力、优选是卸载力。尤其优选地，纵向基本沿水平方向延伸。
8.此问题进一步尤其通过活塞压缩机的运行方法解决，所述活塞压缩机包括在气缸内沿纵向往复运动的活塞，纵向大体沿水平方向延伸，其中活塞通过活塞杆驱动，其中至少垂直于纵向地作用的可控磁力被施加至活塞，并且由此通过活塞杆对活塞产生卸载力，其中根据状态变量控制磁力。
9.根据本发明的用于压缩气体的活塞压缩机包括可控磁性支承，其被布置在活塞压缩机的活塞和十字头之间，其中活塞杆将活塞连接至十字头，其中活塞杆延伸穿过磁性支承，并且其中磁性支承至少垂直于活塞杆的延伸方向地对所述活塞杆施加可控磁性吸力。根据本发明的活塞压缩机还包括至少一个传感器和控制装置，其中控制装置设计成为布置在可控磁性支承内的电磁体供应电流或电能，其中控制装置根据由传感器测得的值调节或改变供应的电流或供应的电能，以影响活塞相对于气缸的位置，从而活塞至少暂时在气缸内具有有利的位置。可控磁性支承优选设计为径向支承，其包括分布在周向上并且由控制装置控制的多个电磁体。但是，该磁性支承还可被设计为使得磁力仅以沿一个方向或在一个维度上作用，例如通过彼此相对地或者相对于活塞杆对称地布置两个可控的电磁体，由这些电磁体施加至活塞杆的磁力仅在一个维度上作用。
10.活塞压缩机包括至少一个气缸以及布置为在所述气缸内往复运动的活塞，其中气缸的内部以及活塞的运动在优选实施例中沿水平方向或者大体沿水平方向延伸，此种活塞压缩机还被称作水平活塞压缩机。磁性支承至少垂直于活塞杆的延伸方向地对所述活塞杆施加可控磁性吸力，并且由此优选对所述活塞杆施加竖向向上取向的力，优选沿着反向于重力的方向。
11.在优选实施例中，能够沿水平方向运动的活塞包括所谓的导环，其抵靠至所述气缸的内表面。磁性支承至少在竖向施加至活塞杆的吸力/或施加至活塞杆的斥力所起到效果为减小支撑在气缸的内表面上的活塞的接触力，或者活塞或导环不再接触气缸的内表面，从而活塞或活塞的导环或者以减小的接触力抵靠至气缸的内表面，并且尤其优选在气缸内不接触其内表面地往复运动。如果活塞具有导环，采用磁性支承会形成此优势，即减小了导环在内表面上的接触力并且由此减少了导环的磨损，从而导环具有更长的使用寿命或者更长的生命周期，直至其必须被更换掉。另外，还有的好处是，如果需要的话，活塞压缩机能够以更高的转速运行，其中优选不产生增加的磨损或受热。
12.尤其优选地，根据本发明的活塞压缩机的活塞设计为迷宫式活塞，此种迷宫式活塞如现有技术已知在其表面上具有迷宫式结构，该迷宫式结构用于在活塞和气缸的内表面之间密封。磁性支承施加至活塞杆的吸力优选控制为使得往复运动的活塞在整个行程路径不接触气缸的内表面。但是，根据本发明的活塞压缩机还适用于带有活塞环并且如果必要还包括导环的活塞。
13.在另一优选的实施例中，气缸内部并且由此还有活塞的运动沿竖向或者大体沿竖向延伸。磁性支承至少垂直于活塞杆的延伸方向地对活塞杆施加可控磁吸力，并且由此对活塞杆以及相对于活塞杆沿径向或者大体沿径向延伸的活塞施加力。磁性支承至少沿径向对活塞杆施加的吸力和/或施加在活塞杆上的斥力所取得的效果在于减小活塞环抵靠气缸内表面的接触力并且尤其是一侧接触力，或在于活塞或其活塞环、尤其是设计为迷宫式活塞的活塞不再接触气缸的内表面，从而活塞或活塞环仅以减小的接触力抵靠至气缸的内表面，并且尤其优选迷宫式活塞不接触气缸内表面地在气缸内往复运动。采用磁性支承所具
有的优势为减小活塞环的磨损，从而活塞压缩机具有更长的使用寿命或更长的生命周期直至其需要维护。还有一种选择即以更高的转速运行活塞压缩机。如果活塞压缩机包括迷宫式活塞，那么采用磁性支承所具有的优势为能够甚至更好地避免迷宫式活塞和气缸的内表面之间的接触，因为借助于磁性支承能够至少部分校正迷宫式活塞相对于气缸内部的任何选用偏心布置，从而不会产生相互接触。采用磁性支承能够取得其他优势，即活塞压缩机能够在不产生任何互相接触的情况下安全运行，即使在迷宫式活塞的外表面和气缸的内表面之间具有减小的间隙宽度。此减小的间隙宽度提高了活塞压缩机的效率或减小了在压缩过程中的损失。
14.在另一优选实施例中，活塞压缩机包括至少一个活塞和至少一个气缸，并且优选包括多个活塞和多个气缸，它们优选布置在一个共用框架上并且优选由共用的曲轴驱动。在优选实施例中，此种活塞压缩机被布置在船上，其中在海面平静的状况下，气缸、气缸内部并且由此还有活塞的运动沿竖向或者基本沿竖向。汹涌的或暴风雨的海面导致船只随波浪高度的增加而进行越来越大的侧倾或俯仰运动，导致整个活塞压缩机并且由此尤其还有活塞杆的纵向具有取决于波浪动作的延伸，该延伸能够随时间变化并且以角度β(beta)偏离竖向。在优选实施例中，角度β、优选随时间变化的角度β被作为另一个状态变量而测得。
15.在船只上，采用多级活塞压缩机以例如将在液化气体容器中积聚的排出气体压缩至200至500巴的压力，以用压缩气体为船只的气体发动机或柴油发动机供应燃料。布置在船只上的活塞压缩机优选如此运行，即磁性支承至少在径向上施加在活塞杆上的力控制为随着状态变量和其他状态变量变化，以使得活塞环抵靠气缸的内表面的接触力、尤其是一侧接触力减小，或者活塞或其活塞环并且尤其是设计为密封式活塞的活塞不再接触气缸的内表面，从而在船只上，即使在有波浪的情况下也能够确保活塞压缩机的活塞或活塞环或者仅以减小的接触面抵靠至气缸的内表面，或者尤其优选迷宫式活塞或活塞在气缸内不接触气缸内表面地往复运动。使用磁性支承所具有的优势为，即使在有波浪的情况下也能够减少活塞环的磨损，或者为避免了迷宫式活塞的迷宫式结构与气缸内表面的接触，尤其还在活塞的外径与气缸的内表面之间具有小间隙宽度的情况下，以使放在船只上的活塞压缩机具有更长的使用寿命或更长的生命周期直至其需要维护。磁性支承优选以这样的方式控制，使得磁性支承在关于活塞杆的纵轴线的径向上对活塞杆施加阻尼作用，以阻尼活塞杆和活塞在关于纵轴线的径向上的运动，例如以减小由有波浪情况引起而出现的活塞的共振振动或其他横向振动的最大振幅。
16.由于波浪的运动或者测得的以及由此推断得出的其他状态相较于活塞压缩机的转速是相对较慢的过程，并且水的波浪运动周期比活塞压缩机的旋转周期慢10到1000倍，可以预先计算其他状态变量中的短期变化，并通过用预测控制器控制磁性支承让该值进入磁性支承的控制器中，该预测控制器预测了将基于波浪运动(例如在某个时间点比如在1至50秒的范围内变平静)预期到的活塞压缩机的运动并且相应控制磁性支承，从而当影响或控制活塞杆或活塞的位置时，通过将由波浪运动引起的活塞压缩机的期望运动纳入考虑的方式来控制磁性支承。
17.根据本发明的活塞压缩机还具有的优势为，其能够以更高的转速或者以更高的平均活塞速度运行，因为活塞或导环根本不再接触气缸的内壁或者是仅以减小的接触力抵靠于气缸的内壁。此种以更高转数运行尤其有利于具有所谓干运行活塞的活塞压缩机，即迷
宫式压缩机，或者具有自润滑密封环的活塞，即其活塞环或密封环未被油润滑的活塞，其也被称作、无润滑活塞。可控磁性支承可用作支撑支承，活塞通过该支撑支承被不接触气缸内表面地支承，可控磁性支承还可被用作卸载支承，通过该卸载支承减小了活塞作用在气缸内表面上的力，在此情况下，活塞接触内壁。可控磁性支承还可在基本竖向延伸的活塞上执行对中功能，借此活塞保持居中并且优选不接触气缸的内表面。
18.在一个实施例中，磁性支承被布置在水平活塞压缩机内的预设位置，然而由于往复运动，活塞的重心位置在运行过程中连续改变，从而位于磁性支承和活塞的重心之间的由活塞杆形成的杠杆臂的长度在运行过程中连续改变。提供用于向磁性支承供应电能的控制装置由此优选被设计为使得根据活塞的位置或者根据上述杠杆臂的长度可控地修正磁性支承施加至活塞杆的磁力。优选地，在活塞杆上施加沿竖向作用的至少一个力。尤其优选地，磁性支承被设计为径向支承，其在垂直于活塞杆的纵向上能够对活塞杆施加力，该力能够在二个维度上控制，优选一个力沿竖向作用，一个力沿水平方向作用。有利地，此径向支承被控制为使得在运行过程中活塞不会在其任意可能位置处接触气缸的内表面，既不会在气缸的下表面或上表面处，也不会在气缸的侧向内表面处。
19.优选根据测得的状态变量控制磁性支承，尤其是如果活塞在运行过程中不接触气缸的内表面，其中状态变量包括以下参数中的至少一个：活塞在气缸中的位移行程、活塞杆在其延伸方向上的位移行程、活塞杆在垂直于其延伸方向上的位移行程以及驱动轴的旋转角度。在其他优选的实施例中，活塞杆至少在竖向上与磁性支承的相对距离、尤其是在活塞杆和磁性支承之间位于磁性支承中的间隙宽度适于作为状态变量。
20.用于检测状态变量的传感器被优选设计为检测以下变量中的至少一个：纵向相对于竖向的倾斜角度β、倾斜角度β随时间的变化、气缸的内表面和活塞的侧表面之间的间隙宽度、活塞和气缸之间相互接触部位的位置。
21.活塞压缩机通常包括具有密封环的填料密封，其中活塞杆延伸穿过此填料密封或其密封环以从外侧密封气缸的内部。在尤其优选的实施例中，在填料密封中除了布置有密封环之外还有磁性支承。此种包括磁性支承的改进的填料密封尤其优选设计为可更换部件。尤其优选地，此种改进的填料密封与现有已知的没有磁性支承的填料密封具有相同的尺寸，从而包括磁性支承的填料密封可用于安装在现有活塞压缩机中以改进它们并且提升它们的质量。
22.在其他优选实施例中，改进的填料密封还包括冷却通道。在安装在活塞压缩机内的改进的填料密封中，这些冷却通道被连接至冷却回路以冷却磁性支承和/或填料密封。
附图说明
23.附图用于解释实施例，其示出：
24.图1经过活塞压缩机的示意简化纵截面；
25.图2控制装置的示意图；
26.图3磁力随状态变量(即驱动轴的旋转角度)的示例变化；
27.图4经过已知填料密封的纵截面；
28.图5通过根据本发明的填料密封的纵截面；
29.图6径向磁性支承；
30.图7倾斜的活塞压缩机，例如位于有波浪运动的船只上。
31.原则上讲，在附图中为相同的部件赋予相同的参考标记。
具体实施方式
32.图1示出了用于压缩气体的活塞压缩机1，其包括沿水平方向延伸的气缸2，还包括能够在所述气缸2内沿气缸2的延伸方向或沿纵向l运动的活塞3。活塞压缩机1还包括活塞杆16、填料密封12、磁性支承13、具有线性引导件18的十字头17、推杆19和驱动器(例如带有驱动轴21的曲柄20)。在示出的示例性实施例中，活塞3呈双作用设计并且包括密封环或活塞环4以及导环5，该活塞3将气缸2的内部分成第一内部空间6和第二内部空间7，这两个内部空间分别具有入口阀8、9和出口阀10、11。气缸2通过中间件14连接至壳体15，填料密封12和磁性支承13也布置在该中间件内。磁性支承13至少沿竖向对活塞杆16施加磁力fm。控制装置22通过信号线24和未示出的传感器检测活塞压缩机1的状态变量z，例如活塞在气缸7中的位移行程s(t)随时间的变化、活塞杆16的位移行程s(t)和/或驱动轴21的旋转角度α(t)随时间的变化。控制装置22通过信号线25控制磁性支承13的电磁体中的电流并且由此控制磁体对活塞杆16施加的磁力。
33.在简单的实施例中，驱动器22能够以驱动模式运行，在驱动模式下测量状态变量z，并随着状态变量z修正磁力fm。在此情况下，可以省去反馈。图3示出了此控制模式的示例，其中明确曲线k1的变化，该曲线k1明确了状态变量z(在本例子中为驱动轴21的旋转角度α)和将基于旋转角度α生成的磁力fm之间的关系。在示出的示例性实施例中，角度α＝0
°
对应于活塞3相对于第二内部空间7的下死点，α＝180
°
对应于活塞3相对于第二内部空间7的上死点，磁力fm在下死点处最小，因为位于活塞3的重心s和磁性支承13之间的由活塞杆16形成的杠杆臂最短，其中磁力fm在上死点处最大，因为位于活塞3的重心s和磁性支承13之间的由活塞杆16形成的杠杆臂最长。旋转角度α通过未示出的传感器进行测量，并通过信号线24馈送至控制装置22。曲线变化k1能够例如基于经验值预先确定。如果如图1所示采用具有导环5的活塞3，此实施例是尤其优选的，其中导环5抵靠于气缸2的内表面，并且其中磁力fm用于减小导环5抵靠气缸2的内表面的支承力，由此尤其减小了导环5的磨损。在图3中示出的曲线k1仅示出了磁力fm随0
°
至180
°
之间的曲轴角α的变化情况。在未示出的180
°
至360
°
之间的后续部段中，力fm从180
°
处的值起朝向相反方向延伸至0
°
角度处的值fm，此值与360
°
角度处的值相等。
34.在另一个优选实施例中，设有测量装置例如传感器26以至少沿竖向测量活塞杆16和/或活塞3的位置。图2示出了测量活塞杆16在竖向的位置的实施例。在优选实施例中，传感器26靠近磁性支承13布置或者甚至布置在磁性支承13的内侧，其中传感器26优选测量磁性支承13的上线圈芯13a和活塞杆16的表面之间的距离d。优选地，磁性支承13至少包括带有线圈13b的上线圈芯13a和带有线圈13d的下线圈芯13c。如图6所示，磁性支承13还可设计为具有沿周向分布的多个电磁体的径向磁性支承，其中它们的线圈13b、13d可优选单独控制，从而可通过对线圈13b、13d的相应控制确定施加至活塞杆16的磁力fm的方向。
35.在优选的运行方法中，通过期望值预设28为控制装置22预设距离d的设定值，控制装置22通过信号线25以电流驱动线圈13b、13d，以使得活塞杆16不受行程s(t)或曲轴角度α(t)影响地相对于上线圈芯13a具有基本不变的恒定的距离d。活塞杆16由此用作两个线圈
芯13a、13b的磁性衔铁。优选地，磁性支承13可对活塞杆16既施加向上的力又施加向下的磁吸力，从而可尤其精确地控制活塞杆16相对于磁性支承13的位置。
36.活塞压缩机1由此优选以这样的方式运行，即对活塞杆16施加可控磁力fm，从而通过活塞杆16对活塞3施加至少沿竖向作用的力fm或卸载力fh，其反作用于重力f，磁力fm随状态变量z比如像距离d、行程s(t)或旋转角度α(t)被控制或改变。图1至图3中描述的结构以及描述的方法也适用于运行或控制带有沿竖向延伸的气缸和沿竖向运动的活塞的活塞压缩机。
37.图7示出了图1中示出的活塞压缩机1，或其中气缸2或气缸内部基本沿竖向延伸，活塞杆16基本沿竖向延伸，活塞3能够沿此方向运动。在图7中，活塞压缩机1布置在以横倾角横倾的船只上，这正是气缸2和活塞16相对于竖向v具有倾斜角β的原因。活塞压缩机1优选以这样的方式布置在船上，以使得气缸2和活塞杆16在海面绝对平静时正好在竖向或者至少近似竖向。活塞压缩机1当然还可布置在陆地上，气缸2和活塞杆16优选正好在竖向上延伸或至少近似在竖向上延伸。优选地，通过未示出的传感器26测量相对于竖向v的倾斜角β，优选测量倾斜角β随时间t的变化。通过控制装置22控制磁性支承13，以便对活塞杆16施加磁力fm，并且活塞杆16将卸载力fh传递至活塞3，从而由于作用的卸载力fh，如果可能，活塞3在气缸2内的位置受到影响。
38.作为已经提及的状态变量z的替代或补充，以下变量中的至少一者也适于用作用于控制磁性支承13的状态变量z：气缸相对于竖向v的倾斜角β、气缸的内表面和活塞的侧表面之间的间隙宽度、活塞和气缸之间的多个相互接触部位的位置。
39.优选地，磁性支承13控制为使得活塞杆16和磁性支承13之间垂直于纵向l的相互距离和/或气缸内表面和活塞侧表面之间的垂直于纵向l的距离保持恒定或基本恒定。优选地，活塞3在气缸7内不产生壁接触地保持。优选地，作为状态变量z，竖向v和纵向l之间存在的倾斜角β(t)也随时间t进行测量。尤其优选地，在活塞压缩机放置在船上的例子中，磁力fm借助于预测控制进行控制。优选地，状态变量z包括随时间t变化的倾斜角β(t)，从而状态变量z是与时间t有关的。在优选实施例中，除了随时间变化的倾斜角β(t)之外，状态变量z还包括本文提及的至少一个其他状态变量，从而此合成的状态变量由本文提及的至少两个状态变量的组合构成。例如，合成的状态变量可包括活塞杆垂直于纵向l的运动的状态变量z，并且与随时间t变化的倾斜角β(t)的状态变量z组合，从而借助于预测控制和随时间t变化的倾斜角β(t)的状态变量z的信息，可预测由在时刻t δt的倾斜角β(t)引起的活塞杆垂直于纵向l的预期运动，并且可以用这个预测状态变量zv(t δt)控制磁性支承12。
40.优选地，预测状态变量zv(t δt)是由所述状态变量z(t)根据未来某一时刻t δt的倾斜角(β(t))计算得出，并且在当前时刻t根据所述预测状态变量zv(t δt)控制所述磁力fm。
41.尤其优选地，根据本发明的包括可控磁性支承的活塞压缩机与用于海上运输的运输船只结合使用。
42.图4中示出的纵截面示出了已知的填料密封12，其包括多个槽型环12a，在该槽型环12a中布置有密封环12b。另外，填料密封12包括紧固部件12c，所有的槽型环12a以未详细示出的方式紧固至该紧固部件12c。填料密封12通过紧固部件12c连接至气缸2的气缸壳体2a，其中活塞杆16延伸穿过填料密封12。气缸壳体2a具有对应于填料密封12的外轮廓12d的
凹槽，从而整个填料密封12可被插入此凹槽中，并且如果必要可更换整个填料密封12。
43.图5示出了通过根据本发明的填料密封12的纵截面，包括磁性支承13。图6示出了磁性支承13的局部截面，其被设计为径向支承并且包括八个线圈芯13a、13c，为两个対置的线圈芯13a、13c提供附图标记。线圈芯13a、13c缠有线圈13b、13d。另外，示出了线圈芯13a的朝向活塞杆16的端面13e。根据图5的填料密封12包括两个其中布置有密封环12b的槽型环12a。填料密封12还包括两个分别具有支承表面12h、12i的应急支承12f、12g。在磁性支承13断电的情况下或例如当活塞压缩机被关闭时，活塞杆16可抵靠至应急支承12f、12g。填料密封12还包括用于传感器26的保持件12k，其中至少一个传感器26被布置在顶部，并且其中优选多个传感器26沿周向彼此间隔布置。另外，填料密封12包括紧固部件12c，优选在图5中示出的所有零部件均连接至该紧固部件。填料密封12具有外轮廓12d。在优选实施例中，根据本发明的填料密封12的外轮廓12d的尺寸类似于或等同于图4中示出的已知填料密封12，从而根据本发明的填料密封12可应用于具有已知填料密封12的现有活塞压缩机1。优选地，还为通过根据本发明的填料密封12升级的活塞压缩机1提供控制装置22，从而现有的活塞压缩机1可配置根据本发明的装置，或者可采用根据本发明的工艺运行现有的活塞压缩机1。
44.在进一步优选的实施例中，如图5所示，根据本发明的填料密封12还包括冷却通道12l，该冷却通道例如在外壳12e的内部和/或在线圈芯13a、13c的内部延伸，该冷却通道形成冷却回路的一部分，以冷却磁性支承13和/或填料密封12。冷却回路仅示意性地示出，冷却回路的供应管路和排出管路优选延伸穿过紧固部件12c，以使得紧固部件12c具有用于冷却回路的接口12m，这些接口能够从外部进入，优选位于其端面上，并且位于填料密封12内部的冷却回路是预设的并且完全构造为使得在安装填料密封12之后仅来自外部的外部冷却剂供应需要连接至紧固部件12c，以便为填料密封12内的冷却回路供应冷却剂。在图5中，尤其是,未示出布置在应急支承12g的内侧且以流体导通的方式相互连接冷却通道121的连接通道。
45.在图1中示出的实施例中，示出了活塞压缩机1，包括具有活塞环或密封环4和导环5的活塞3。该导环5可被省去。在另一个未示出的实施例中，该活塞3还可被设计为迷宫式活塞，其中此迷宫式活塞优选不与气缸2的内壁接触。