节流环的制作方法

1.本发明涉及活塞压缩机的技术领域，尤其涉及节流环、具有此节流环的活塞杆密封装置以及具有此活塞杆密封装置的活塞压缩机。本发明还涉及用于压缩液化天然气存储过程中产生的蒸发气体的方法。


背景技术：

2.压缩机常用于压缩流体，如气体或气溶胶。在活塞压缩机中，由驱动单元引发的曲轴的旋转运动通过连杆转换为一个或多个活塞的往复运动，该运动用于压缩吸入压缩机单元中的气体或气溶胶。活塞杆密封系统(即所谓的密封组件)被用于移动的活塞杆，以密封曲柄侧的工作腔室。密封件与往复的活塞杆的接触意味着它们会不断受到磨损。
3.发生在活塞压缩机中的压缩过程的一个特点是出现了动态压力分量。该动态压力分量是在一个曲轴旋转期间最终压缩压力和对应压缩级的抽吸压力之间出现的压力差。如果超过一个临界值，这个动态压力分量会导致密封件的流动和/或高度磨损。特别是在分段式密封件的情况下，动态压力分量常常导致相关软管弹簧或夹紧环的断裂失效，这会导致密封系统的过早失效。
4.为了保护实际的密封件免受动态压力分布的这些负面影响，已知现有技术中有所谓的破压环或节流环，它们被用在密封组件的进口处，即压缩室侧，并且旨在保持动态压力分布远离实际的密封件。通常，这种节流环被设计成或者从一开始就是无摩擦的密封件，或者具有低收缩磨损的无摩擦密封件。然而，已经证明，传统非接触节流环对动压部件的密封没有任何显著贡献。
5.例如，由ch 439 897已知的节流环有一个缺点，即只有脉动压力分量未被充分地阻尼。因此，大部分的动态压力分量会加载实际的密封件、特别是直接朝向压缩腔室布置的第一密封件。类似于连锁反应，随着磨损的加剧，动态压力分量进一步迁移到密封组件中，引起布置在下游的密封件即使是在低到中等的负载下也会迅速磨损，导致活塞杆密封系统的使用寿命大大降低。待压缩的流体中的异物会加剧密封件的磨损，因为这些异物例如会进入密封件和移动的活塞杆之间，从而进一步增加摩擦。还有一个风险是，由密封件或其夹紧元件的断裂失效产生的部件会进入压缩腔室并损坏其中的关键部件(如压力阀)或至少削弱其功能。


技术实现要素：

6.基于上述现有技术，本发明的问题在于消除现有技术中的此缺点以及其他缺点，并且尤其提供在本文开始部分提及类型的节流环，其提供了动态压力的改进密封，确保了更好地防护可能存在的任何异物，并且可以以较低成本制造。
7.本发明的另一个问题在于为干运转压缩机提供活塞杆密封装置，该干运转压缩机能够为以压缩天然气为燃料的船舶系统和/或再液化装置系统提供推进力，其中天然气最好呈液化天然气(lng)或蒸发气体的形式。
8.该问题尤其通过具有独立权利要求的特征的节流环、活塞杆密封装置、压缩机以及方法来解决。有利的设计以及其他改进为从属权利要求的主题。
9.该问题尤其通过用于活塞压缩机的节流环解决。根据本发明的节流环包括轴向延伸的环轴线、轴向高度、径向内侧运行表面以及径向外周面。运行表面是界定节流环的中心凹陷的表面，摆动的活塞杆能够在该中心凹陷内运动。根据本发明的节流环还具有上侧面和下侧面，在节流环的正常使用时，上侧面面向活塞压缩机的压缩腔室或压缩腔室侧。运行表面在圆周方向上具有至少一个周向凹槽，其通过至少一个径向孔或径向通道连通至径向外周面。节流环的径向内侧运行表面和径向外周面流体通过至少一个径向孔连通。径向孔优选具有圆形横截面，但是也可具有其他形状，例如矩形横截面。
10.此类节流环所具有的优势为：通过将几乎恒定的压力施加至活塞杆密封装置的下游密封件的方式密封动态压力部件，如下文更详细地描述。根据本发明的节流环还具有的优势为：其使压缩腔室中或待压缩的流体中存在的异物保持远离所述活塞杆密封装置的密封件，并且由此防止在开始部分描述的密封件产生连锁反应式的磨损。该节流环由此既防止了将磨损或者甚至碎屑从密封系统传送至压缩腔室或待压缩的流体，又防止了在待压缩流体中存在的颗粒进入活塞杆密封系统中。换句话说，根据本发明的节流环在两个方向上均为碎屑捕集器。
11.根据本发明的节流环尤其适用于将低分子量的气体如氢气或甲烷干运转压缩至高最终压缩压力。具体地，通过在干运转压缩机中使用根据本发明的节流环，能够实现压力增加优选达到300巴、尤其优选达到1000巴，而不会明显损害压缩机的使用寿命。
12.干运转压缩机所具有的优势为：待压缩的流体不会被润滑剂污染。由此，压缩流体的纯度不会受到不利影响。这对于其中流体被供给回到存储罐中的那些应用而言是尤其重要的，例如在液化天然气(lng)的储存或运输过程中产生蒸发气体的情况下，该蒸发气体可被重新液化并随后作为液化天然气送入存储罐。
13.优选地，该节流环被设计为闭合环。
14.闭合环又被称作未切割环，其没有对接位置，而是被设计为在周向上不间断。
15.此种闭合环在机械上尤其具有弹性并且可以较低成本生产。
16.在压缩阶段流入活塞杆密封装置内的流体处于比所考虑的压缩阶段的抽吸压力更高的压力下。如果压缩腔室中的压力回落到抽吸压力，那么存储在活塞杆密封装置内的流体回流至压缩腔室。
17.优选地，节流环具有至少一个沿径向延伸的通道、优选四个至六个周向间隔的通道。尤其优选地，节流环的上侧面具有至少一个沿径向延伸的通道。优选地，径向通道具有矩形的横截面。
18.这种径向延伸通道还被称作压力平衡凹槽或回流凹槽。
19.通过提供此径向延伸通道，可以显著改善流体回流入活塞杆密封装置，即节流环在此阶段几乎没有密封作用并且由此不会经受磨损。另外，在密封组件中并且尤其在根据本发明的节流环上采用回流凹槽导致了更加稳定的压力分布，因为动态压力分量在抽吸行程中可经由径向通道消散回压缩腔室。在不采用回流凹槽的情况下，动态压力分量可朝向密封组件出口迁移并且引起单个密封件的不稳定的加载。此种不稳定的压力分布导致密封件的旋转运动和平移运动，并且随后导致对密封件以及腔室造成损坏。
20.优选地，径向孔的直径为0.5毫米至3毫米、优选0.75毫米至1.25毫米、更优选为1毫米。在此，孔可均具有相同的直径或还具有不同的直径。
21.指定的直径范围允许动态压力部件的最佳压力释放或阻尼，同时防止磨损和/或来自密封组件的碎片穿过径向孔。因此，优选的直径范围最大可能地保护压缩室免受来自密封组件的异物的影响。
22.优选地，从对应周向凹槽延伸至周向表面的径向孔关于环轴线彼此轴向对称地布置。
23.径向孔的此种布置导致均匀的压力释放以及节流环的尤其高的稳定性。
24.优选地，周向凹槽基本上平行于节流环的上侧面和下侧面延伸。
25.平行于节流环的上侧面和下侧面延伸的此凹槽可尤其简单地、例如通过铣削制成。
26.根据本发明，优选节流环的运行表面包括多个周向凹槽。带有多个周向凹槽的此运行表面可被看作迷宫式密封，其工作原理是当待压缩的流体流经串联的几个狭窄部(节流部、)并由此被节流时，待压缩的流体会反复将压力能耗散成热量。在本节流环中，狭窄部是排列在两个相邻的周向凹槽之间的连接片。由于压力梯度的作用，待压缩的流体首先被加速向节流部移动，导致压力能转化为速度能。在随后的圆周凹槽中，在转换为摩擦热的情况下，流出的体积流分解成小的、无序的涡流。这个过程根据圆周凹槽的数量重复进行，直到节流环的末端。
27.优选地，周向凹槽相对于所述节流环的轴向高度布置在10％至90％的范围内。尤其优选地，周向凹槽相对于所述节流环的轴向高度布置在25％至75％的范围内。
28.优选地，径向孔的直径位于周向凹槽在轴向上的宽度的50％至150％的范围内。
29.在运行表面的指示的、优选的区域中布置周向凹槽所具有的优势为由此获得的节流环尤其机械稳定。具体地，在轴向最外侧凹槽和对应侧面之间形成的环边沿由此足够机械稳定。这降低了节流环本身成为碎屑源的风险。
30.除非另有说明，在本说明书的上下文中，术语“轴向高度”是指径向内侧运行表面的轴向高度。在节流环的两个侧面彼此平行地间隔布置的情况下，径向外周面的轴向高度最终对应于径向内侧运行表面的轴向高度。
31.优选地，每个周向凹槽的凹槽深度在0.5毫米至3毫米之间。附加地或替代地，周向凹槽的凹槽深度优选位于0.5毫米至3毫米之间。
32.周向凹槽的这些优选尺寸允许来自密封组件的磨损和/或碎屑被尤其有效地保留在周向凹槽中。
33.根据本发明还能够想到的是，围绕圆周方向延伸的凹槽具有不同的凹槽宽度。
34.不同宽度的周向凹槽的存在具有的优势在于，这实现了能将不同尺寸的磨损和/或不同尺寸的碎屑尤其良好地保留在凹槽内部。
35.优选地，凹槽宽度朝向上侧面减小。对应的周向凹槽朝向节流环的上侧面(即朝向压缩腔室)缩窄允许来自密封组件的磨损和/或碎屑在周向凹槽之间迁移，直至它们被最终困在具有适当尺寸的周向凹槽中。这允许提高节流环的保护功能。
36.替代地，根据本发明，还能够想到的是凹槽宽度从两个侧面朝向轴向高度的一半的方向增加。这具有的优势是来自两侧即压缩腔室侧和驱动器侧的磨损和/或碎屑以最佳
方式保持在节流环内部。
37.性能(尤其是在机械稳定性和耐摩擦性能方面)满足此种节流环要求的改性高温聚合物可用于制造根据本发明的节流环。
38.优选地，节流环由塑料制成。例如，聚四氟乙烯(ptfe)、聚醚醚酮(peek)、聚醚酮(pek)、聚酰亚胺(pi)、聚苯硫醚(pps)、聚苯并咪唑(pbi)、聚酰胺-酰亚胺(pai)、聚酰胺(pa)、聚甲醛(pom)或改性环氧树脂用来制造本发明的节流环。
39.尤其优选地，节流环由聚四氟乙烯(ptfe)制成。
40.所采用的塑料可通过填料进行改性。此种通过填料进行改性的聚合物也可被称作填料聚合物。
41.添加的填料通常是碳、石墨、金属、陶瓷、玻璃微珠、固体润滑剂和/或纤维材料如碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维。
42.例如，这种填料可以改善所使用的塑料的摩擦学特性，提高其耐温性并减少冷变形。
43.特别优选地，节流环由利用固体润滑剂改性的塑料制成。
44.整个节流环可由一种单一材料制成。此种节流环的优点是其可例如通过注射成型工艺尤其有效地制造。
45.根据本发明，还能够想到的是节流环的运行表面至少在会与活塞压缩机的活塞杆接触的表面区域设有磨损保护层。
46.例如，磨损保护层可为类金刚石碳(dlc)层。
47.还能够想到的是节流环由金属制成，运行表面由能够干运转的材料比如塑料或陶瓷制成。
48.该问题进一步通过用于密封活塞压缩机的纵向可移动的、摆动的活塞杆的活塞杆密封装置解决。根据本发明的活塞杆密封装置包括至少一个如本文所述的节流环以及至少一个布置在节流环下游的密封件。
49.术语“密封件”是指密封活塞杆通往气缸内部的通道的所有此类元件，即尤其为密封环和/或节流环。
50.此类活塞杆密封装置具有对动态压力分布的高阻尼能力以及长使用寿命。
51.具体地，活塞杆密封装置可在干运转活塞压缩机中使用。这样的优点是待压缩的流体不会被润滑剂污染。
52.优选地，活塞杆密封装置具有用于供应和移除冷却剂的至少一个通道。
53.由于在密封件上出现的大部分磨损可归因于摩擦热，可通过冷却密封组件中的密封件来减少磨损。
54.该问题进一步通过具有如本文所述的活塞杆密封装置的干运转活塞压缩机得到解决。
55.压缩机通常要承受长期连续的运行或者频繁开关，这会导致由于摩擦而生成高热。因此，以往主要采用因油润滑确保足够冷却效果的压缩机。然而，采用油润滑存在风险，即压缩机单元壳体内的润滑油将经由活塞/气缸配对渗入待压缩的流体，这会最终导致压缩流体的污染。本文描述的干运转活塞压缩机中不存在此种危险。
56.该问题进一步通过压缩存储液化天然气过程中产生的蒸发气体工艺来解决。根据
本发明的工艺包括提供至少一个根据本发明的干运转活塞压缩机，对待压缩的蒸发气体进行单级或多级压缩，并且为多燃料发动机至少部分供应压缩的气化气体作为燃料，其中由单级或多级压缩实现的压力增加至少为200巴、尤其至少为250巴。为多燃料发动机供应压缩的蒸发气体作为燃料的替代或补充示例，根据本发明的工艺可包括对蒸发气体进行再液化。
57.在根据本发明的工艺中，如本文所述在压缩机中采用节流环的优势在于，由于根据本发明的节流环，压缩机即使在压力增加300巴的情况下也可以不采用润滑剂而运行，并且同时可实现4000运行小时数量级的非常长的使用寿命。一方面，待压缩的蒸发气体可被压缩至此程度，即设计用于利用气体运行的多燃料发动机可利用该蒸发气体运行。第二，在再液化的过程中，蒸发气体不会被润滑剂污染。
58.根据本发明的工艺优选适用于利用液化天然气进行操作的船只，该船只包括双燃料船发动机。
附图说明
59.下文参照附图对本发明的各个实施例进行描述，其中相同或相应的元件以相同的附图标记标示。其示出了：
60.图1根据本发明的节流环；
61.图2a节流环的第一实施例的俯视图；
62.图2b图2a中沿线a-a截取的剖切面；
63.图2c图2a中沿线b-b截取的剖切面；
64.图3a密封组件的俯视图；
65.图3b图3a中沿线c-c截取的剖切面；
66.图3c图3a中沿线d-d截取的剖切面。
具体实施方式
67.图1示出了用于活塞压缩机的节流环1的立体图。节流环1具有沿轴向延伸的环轴线ar，并且在轴向上带有径向内侧运行表面2的凹陷，活塞杆14(大致如图3b所示)可沿着该径向内侧运行表面2移动。轴向凹陷的直径尺寸设计为使得节流环1可完全包围住活塞杆而不会或者几乎不会触碰移动的活塞杆的表面。例如，节流环1的轴向间隙在0.1至0.25毫米之间。这确保了节流环1正常使用时不会生成摩擦热或者仅生成少量的摩擦热。在示出的示例中，运行表面2沿环轴线ar的方向具有三个彼此间隔开的凹槽6，其沿着圆周方向延伸并且为闭合设计。在示出的示例中，三个凹槽6中位于中间的凹槽通过六个径向孔7与径向外周面3连通，如在图2c示出的横截面中更详细地示出。节流环1还具有相背布置的上侧面4和下侧面5。在示出的示例中，上侧面4具有沿径向延伸并且具有矩形横截面的六条通道8。当然，还能够想到径向通道8具有不同的横截面形状。
68.图2a以俯视图示出了图1的节流环1的上侧面4。径向内侧运行表面2和径向外周面3彼此同轴延伸。在本实施例中，径向孔7还有径向通道8关于环轴线ar彼此轴向对称地布置，并且沿周向互相均匀间隔开。在周向上，例如一个、二个、四个、六个或八个径向孔7可以互相间隔布置开、优选互相等间隔地布置。
69.图2b示出了图2a中示出的实施例沿着线a-a截取的径向剖切面。节流环1的环形主体可如本实施例一样呈矩形。三个周向凹槽6基本上平行于节流环1的两个侧面4和5延伸。在本实施例中，三个周向凹槽6具有基本上相等的凹槽宽度和凹槽深度。当然，周向凹槽6还可具有彼此不同的凹槽宽度和/或凹槽深度。还可行的是例如两个或全部周向凹槽6具有一个或多个径向孔7，周向凹槽6可经由该径向孔7与径向外周面3流体连通。
70.图2c示出了根据图2a沿线b-b截取的剖切面。节流环1的环形主体在轴向ar上具有高度h。示出了径向孔7，其自径向外周面3起通向三个周向凹槽6中位于中间的凹槽，并且将径向内侧运行表面2与径向外周面3连通。三个周向凹槽6中位于中间的凹槽被布置在节流环1的轴向高度的一半h/2处。在每种情况下布置在两个周向凹槽之间的连接片9代表了与在节流环1的轴向凹陷中前后移动的活塞杆(如图3b所示)配合的节流部。
71.图3a示出了活塞杆密封装置10的俯视图，其带有用于冷却剂的两个冷却通道16、供给通道和排放通道。在本实施例中，活塞杆密封装置10包括两个密封件13和节流环1，如将在以下附图中更加详细地解释。
72.图3b示出了根据图3a中的线c-c截取活塞杆密封装置10的轴向剖切面，其中在安装状态下活塞杆驱动器位于侧面12上，压缩腔室位于侧面11上。密封组件被设计为干摩擦密封组件并且在本实施例中包括在活塞杆14的方向上前后依次布置的两个腔室环17，密封件13布置在该腔室环17内。节流环1靠近密封件13布置在压缩腔室侧。
73.图3c示出了根据图3a中的d-d截取活塞杆密封装置10的轴向剖切面，其经过润滑通道15以及其中一个冷却通道16。
74.在一个有利的实施例中，上文所述的节流环1构造为使得位于径向内侧运行表面2上的每个周向凹槽6均通过至少一个径向孔7、优选两个、四个、六个或八个孔7与径向外周面3连通。在有利的实施例中，上文所述的节流环被设计为使得节流环的径向内侧运行表面2由比侧面硬度更大的材料制成。
75.在有利的实施例中，上文所述的节流环被设计为使得周向凹槽6在环轴线ar的方向上彼此间隔0.5毫米至5毫米、优选1毫米至3毫米的距离。

技术特征：
1.一种用于活塞压缩机尤其是干运转活塞压缩机的节流环(1)，其具有轴向延伸的环轴线(ar)、轴向高度(h)、径向内侧运行表面(2)和径向外周面(3)以及上侧面(4)和下侧面(5)，在所述节流环(1)正常使用时，所述上侧面(4)面向所述活塞压缩机的压缩腔室(11)，所述运行表面(2)具有至少一个凹槽(6)，所述凹槽沿周向延伸并且通过至少一个径向孔(7)与所述径向外周面(3)连通。2.根据权利要求1所述的节流环(1)，其中所述节流环(1)形成为闭合环。3.根据权利要求1或2所述的节流环(1)，其中所述节流环(1)尤其是所述上侧面(4)具有至少一个沿径向延伸的通道(8)、优选沿径向延伸的至少一个通道(8)。4.根据前述权利要求中任一项所述的节流环(1)，其中所述径向孔(7)的直径在0.5毫米至3毫米、优选0.75毫米至1.25毫米的范围内，尤其优选为1毫米。5.根据前述权利要求中任一项所述的节流环(1)，其中从对应的所述周向凹槽(6)延伸至外周面(3)的多个径向孔(7)关于所述环轴线(ar)彼此轴向对称布置。6.根据前述权利要求中任一项所述的节流环(1)，其中所述周向凹槽(6)基本上平行于所述节流环(1)的上侧面(4)和下侧面(5)延伸。7.根据前述权利要求中任一项所述的节流环(1)，其中所述周向凹槽(6)相对于所述节流环(1)的轴向高度(h)布置在10％至90％、优选25％至75％的范围内。8.根据前述权利要求中任一项所述的节流环(1)，其中所述周向凹槽(6)各自的凹槽深度(tn)在0.5毫米至3毫米之间和/或凹槽宽度(bn)在0.5毫米至3毫米之间。9.根据权利要求1至7中任一项所述的节流环(1)，其中所述周向凹槽(6)具有不同的凹槽宽度(bn、)。10.根据权利要求9所述的节流环(1)，其中所述凹槽宽度(bn)优选朝向所述上侧面(4)减小，或者从两个侧面(4，5)起朝向轴向高度的一半(h/2)增加。11.根据前述权利要求中任一项所述的节流环(1)，其中所述节流环(1)由塑料、优选固体润滑剂改性塑料、尤其是聚四氟乙烯制成。12.根据前述权利要求中任一项所述的节流环(1)，其中所述运行表面(2)至少在能够与活塞压缩机的活塞杆(14)接触的表面(9)区域中设置有磨损保护层、尤其是类金刚石的碳层。13.用于密封活塞压缩机、尤其是干运转活塞压缩机的纵向可移动安装的往复活塞杆(14)的活塞杆密封装置(10)，所述活塞杆密封装置(10)包括至少一个根据权利要求1至12之一所述的节流环(1)以及安装在所述节流环下游的至少一个密封件(13)。14.一种干运转活塞压缩机，其包括根据权利要求13所述的活塞杆密封装置(10)。15.一种尤其在液化天然气推进的船舶中压缩液化天然气(lng)存储期间产生的蒸发气体的方法，所述方法包括以下步骤：-提供至少一个根据权利要求14所述的干运转活塞压缩机；-对所述蒸发气体进行单级或多级压缩；-为多燃料发动机、特别是双燃料船用发动机至少部分供给作为燃料的压缩的蒸发气体，和/或至少部分重新液化的蒸发气体；其中由单级压缩或多级压缩所实现的压力增加至少为200巴、优选至少为250巴。

技术总结
用于活塞压缩机的节流环(1)，其中节流环(1)包括轴向延伸的环轴线(Ar)、轴向高度(h)、径向内侧运行表面(2)和径向外周面(3)以及上侧面(4)和下侧面(5)，当所述节流环(1)正常使用时，所述上侧面(4)面向所述活塞压缩机的压缩腔室(11)。所述运行表面(2)在周向上具有至少一个周向凹槽(6)，所述凹槽通过至少一个径向孔(7)与所述径向外周面(3)连通。向孔(7)与所述径向外周面(3)连通。向孔(7)与所述径向外周面(3)连通。


技术研发人员：N
受保护的技术使用者：伯克哈特压缩机股份公司
技术研发日：2021.08.31
技术公布日：2023/8/24