KR102041148B1 - 고압 연료 가스 펌프 - Google Patents

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Abstract

고압 극저온(cryogenic) 연료를 펌핑하기 위한 시스템은, 각각 상부 동력 단부(power end)(30)와 하부 유체 단부(fluid end)(32)를 포함하는 복수의 선형 펌프(22) - 동력 단부는 구동 샤프트(120)에서 끝나는 선형 작동형 구동 시스템을 가지며, 전자 컨트롤러에 의해 독립적으로 제어 가능함 -; 실린더 내에서 선형으로 왕복 운동하도록 구동 샤프트에 결합된 피스톤(94)을 갖는 유체 단부; 복수의 피스톤 링(98)을 구비한 헤드(92)를 갖는 피스톤; 입구 탱크(52)로부터 각각의 실린더의 하부 단부로 이어지고 피스톤의 헤드 바로 아래의 헤드 공간과 밸브 연통하는 입구 통로(80) - 피스톤의 상향 운동은 헤드 공간 내로 고압 연료를 허용하기에 충분한 음압 경사를 헤드 공간 내에 형성하고, 피스톤의 하향 운동은 하부 흐름 통로를 통해 그리고 모든 유체 실린더에 공통인 출구 포트 내로 고압 연료를 배출함 -; 및 고압 극저온 연료의 임의의 누설을 수용하도록 선형 펌프 주위로 배치된 밀봉된 하우징(24, 26)을 포함한다. 시스템의 동작은 맥동이 없는(pulse-free) 출력 압력 프로파일을 생성하기 위하여, 개별 펌프들의 조직화된 작동을 포함한다.

Description

고압 연료 가스 펌프
본 개시 내용은 특히 해양 서비스를 위한 고압 가스 펌프에 관한 것이고, 더욱 상세하게는, 예를 들어, 선박, 산업용 가스 및 다른 에너지 연료 시스템과 같은 고압 연료 시스템을 갖는 애플리케이션에서의 사용을 위한 모듈식의 선형으로 작동되는 고압 펌프, 선박용 액체 천연 가스(liquid natural gas(LNG)) 펌프에 관한 것이다.
기존의 저류암(oil reservoirs)이 고갈됨에 따라 국제 에너지 수요는 매년 계속하여 증가하고, 대체물에 대한 조사가 대양의 더 깊은 부분까지 확산되어, 막대한 투자 비용을 요구한다. 에너지 정책에서의 일반적인 변화는 인기를 잃어가는 원자력 및 석탄 발전이고, 미국과 중동으로부터의 가스가 성공할 수 있는 대안으로서 떠오르고 있다. 또한, 정치적인 불안은 국가들로 하여금 파이프라인 공급으로부터 더욱 독립적인 에너지 정책을 개발하도록 장려했다. 이 시나리오에서, 디젤이나 연료유에 비하여 LNG를 이용하는 대형 화물선의 추진은 명백한 해결 방안이다. 현대의 LNG 운반선은 엔진 효용이 중요하기 때문에 매우 신뢰할 수 있는 추진 시스템을 요구한다.
전형적인 LNG 선박 추진 시스템은 LNG 탱크, 연료 공급 시스템 및 압축된 LNG를 공급받는 추진 엔진을 포함한다. LNG는 통상 약 -260℉ 및 250 psi에서, 고압 및 극저온(cryogenic) 온도(-150℃, -238℉ 또는 123K)로 저장되고 운반된다. 고압 극저온 LNG에 대하여 현재 사용 가능한 연료 공급 시스템은 다양한 기계적 원인으로부터 누설 또는 고장을 일으키기 쉽다. 이러한 누설은 내용 연한을 단축시키고 LNG 펌핑 설비에 대한 유지 보수 부하를 증가시킨다. 또한, 같은 맥락에서, 액체 질소(LN2), 액체 아르곤(LAR) 및 액체 수소(LH2)에 대하여 사용되는 다른 산업용 가스 서비스 펌프도 누설 및 수반되는 유지 보수 문제점의 영향을 받기 쉽다.
게다가, 수소는 미래의 수송 연료로 여겨진다. 원유(crude oil)로부터의 수송 연료의 생산에서의 수소의 사용은 빠르게 증가하고 있고, 역청(tar sand)이 기름원(oil source)인 경우에 필수적이다. 수소는 CO2와 결합하여 중요한 수송 연료가 될 가능성이 있는 메탄올 또는 디메틸 에테르를 제조할 수 있다. 원자력 에너지가 수소를 전기 분해로 만드는데 사용될 수 있고, 미래의 고압 원자로에서는 열화학적으로 이를 만드는데 사용될 가능성이 있다. 수소 생산을 위한 에너지 수요는 오늘날의 전기 생산을 위한 것을 초과할 수 있다.
결과적으로, 더 긴 내용 연한을 보유하고 유지 보수하기 더 쉬운 LNG/LH2/LN2/LAR 및 다른 용도를 위한 고압 펌프에 대한 필요성이 남아 있다.
본 발명의 실시예들은 종래의 시스템에 비하여 크기를 줄이고 단순화하고, 200 내지 500%의 수명 증가, 상당히 감소된 운영 비용 및 더 용이한 유지 보수성을 갖는 LNG/LH2/LN2/LAR 및 다른 용도를 위한 고압 펌프를 제공하려고 한다.
일 실시예에서, 매끄럽고 맥동이 없는(pulse-free) 출력을 제공하기 위하여 연료 소스로부터의 고압 극저온 연료를 펌핑하기 위한 시스템은, 각각 직렬로 상부 동력 단부(power end)와 하부 유체 단부(fluid end)를 포함하는 복수의 선형 펌프를 포함하고, 동력 단부는 축을 따라 선형으로 왕복 운동하는 구동 샤프트에서 끝나는 선형 작동형 구동 시스템을 가진다. 각각의 펌프의 동력 단부 구동 시스템은 다축 전자 컨트롤러 내에 포함된 소프트웨어를 통해 독립적으로 제어 가능하고, 각각의 선형 작동형 구동 시스템은 분당 대략 1 사이클의 출력 속력까지의 턴다운비(turndown ratio)로 동작 가능하다. 하부 유체 단부에 패킹 시일(seal)이 없는 것은 마모를 줄이고 시스템의 동작 수명을 연장한다. 유체 단부는 유체 실린더 내에서 선형으로 왕복 운동하도록 동력 단부의 구동 샤프트에 결합된 피스톤을 가지며, 피스톤은 유체 실린더의 내부 루멘(lumen)과의 밀봉식 활주(sliding) 접촉을 제공하는 상부에 분포된 복수의 피스톤 링을 구비하는 헤드를 가진다. 입구 탱크는 연료 소스로부터 고압 극저온 연료를 공급받아 저장하고, 입구 통로는 입구 탱크로부터 각각의 유체 실린더의 하부 단부까지 이어진다. 입구 통로는 개방되어 그 내부의 피스톤의 헤드 바로 아래의 헤드 공간과 밸브 연통하고, 피스톤의 상향 운동은 헤드 공간 내로 고압 연료를 허용하기에 충분한 음압 경사를 헤드 공간 내에 형성하고, 피스톤의 하향 운동은 하부 흐름 통로를 통해 그리고 모든 유체 실린더에 공통인 출구 포트 내로 고압 연료를 배출한다. 밀봉된 하우징은 하나 이상의 선형 펌프 주위로 배치되고, 유체 실린더 내로부터 배출되는 임의의 극저온 연료를 수용하도록 밀봉된다. 유익하게는, 시스템의 동작은 맥동이 없는 출력 압력 프로파일을 생성하기 위하여, 개별 펌프들의 조직화된 작동을 포함한다.
매끄럽고 맥동이 없는 출력을 제공하기 위하여 연료 소스로부터의 고압 극저온 연료를 펌핑하기 위한 예시적인 방법은, 각각 직렬로 상부 동력 단부와 하부 유체 단부를 포함하는 복수의 선형 펌프를 갖는 펌핑 시스템을 제공하는 단계를 포함한다. 동력 단부는 축을 따라 선형으로 왕복 운동하는 구동 샤프트에서 끝나는 선형 작동형 구동 시스템을 가지고, 각각의 펌프의 동력 단부 구동 시스템은 다축 전자 컨트롤러 내에 포함된 소프트웨어를 통해 독립적으로 제어 가능하다. 유익하게는, 마모를 줄이고 동작 수명을 연장하기 위하여 하부 유체 단부는 패킹 시일을 가지지 않는다. 각각의 선형 펌프의 유체 단부는 유체 실린더 내에서 선형으로 왕복 운동하도록 동력 단부의 구동 샤프트에 결합된 피스톤을 가지며, 복수의 선형 펌프의 유체 실린더 모두는 함께 장착되고 공통 출구 포트로 이어지는 출구 흐름 통로를 가진다. 방법은 극저온 연료를 연료 소스로부터 복수의 선형 펌프 각각의 유체 실린더의 입구 통로로 공급하는 단계를 포함한다. 구동 시스템은, 극저온 연료를 각각의 유체 실린더로 인입시키고 출구 흐름 통로를 통해 공통 출구 포트로 극저온 연료를 배출하기 위하여 복수의 선형 펌프 각각의 구동 샤프트 및 결합된 피스톤을 변위시키도록 작동된다. 개별 선형 펌프의 작동을 조직화하는 것은 맥동이 없는 압력 프로파일을 생성한다. 마지막으로, 밀봉된 하우징이 하나 이상 선형 펌프 주위로 제공되고, 하우징은 유체 실린더 내부로부터 배출되는 임의의 고압 극저온 연료를 수용하도록 밀봉된다.
일 실시예에서, 극저온 연료는 -150℃ 아래의 온도로 저장되는 액체 천연 가스이고, 밀봉된 하우징은 저장된 액체 천연 가스와 대략 동일한 내부 압력을 유지한다. 바람직하게는, 각각의 선형 작동형 구동 시스템은 분당 대략 1 사이클의 출력 속력까지의 낮은 턴다운비로 동작 가능하다.
일 실시예에서, 각각의 동력 단부 구동 시스템은 축을 따라 정렬된 회전하는 볼 스크루 형태의 액추에이터를 갖는 전기-기계 액추에이터를 포함하고, 시스템은 액추에이터의 회전 움직임을 모니터링하기 위한 센서와, 구동 샤프트 및 그에 따른 피스톤의 위치, 속도 및 가속도 성분을 제어하도록 구성된 폐쇄 루프 제어 시스템을 포함한다. 이 대신에, 각각의 동력 단부 구동 시스템은 상향 및 하향 움직임이 전자 서보 밸브에 의해 제어되는 구동 샤프트 위의 유압 실린더를 포함한다. 유압 구동 시스템은 유압 실린더 내의 피스톤의 위치를 모니터링하는 유압 실린더에 장착된 선형 가변 차동 트랜스듀서(linear variable differential transducer(LVDT))와, 구동 샤프트 및 그에 따른 피스톤의 위치, 속도 및 가속도 성분을 제어하도록 구성된 폐쇄 루프 제어 시스템을 더 포함할 수 있다.
복수의 선형 펌프 주위로 밀봉된 단일 외부 하우징이 있을 수 있다. 그 경우에, 바람직하게는, 선형 펌프의 각각이 장착되고 각각의 선형 펌프의 하부 흐름 통로가 형성되는 공통 하부 매니폴드 플레이트가 제공된다. 단일 외부 하우징은 상부 동력 단부를 대체로 둘러싸고, 하부 유체 단부를 대체로 둘러싸는 하부 하우징에 고정되는 상부 하우징을 포함하고, 동력 단부 구동 시스템을 점검하기 위하여 상부 하우징이 용이하게 제거될 수 있도록 상부 하우징에 부착된 도관(conduit)이 없다. 이 대신에, 복수의 선형 펌프 각각의 주위로 밀봉된 개별 외부 하우징이 있고, 선형 펌프의 각각이 장착되고 각각의 선형 펌프의 하부 흐름 통로가 형성되는 공통 하부 매니폴드 플레이트를 더 포함한다.
바람직하게는, 입구 탱크는 복수의 선형 펌프 바로 아래에 위치되고, 매니폴드 플레이트는 복수의 선형 펌프가 부착되고 각각의 선형 펌프의 하부 흐름 통로가 형성되는 입구 위에 배치된다.
특정 실시예에서, 각각의 유체 실린더의 상기 입구 통로의 밸브는 상부 밸브 부재와 하부 밸브 부재로 이루어진 밸브 부재와 리프터 밸브로 구성되고, 상기 밸브는 상기 유체 실린더의 하부 단부에서 배출 챔버(sump chamber)에 개방되며, 상부 밸브 부재와 하부 밸브 부재가 서로 위아래로 적층되되 하부 밸브 부재의 하부 단부와 상기 유체 실린더 사이에 상기 배출 챔버가 위치되고, 상기 상부 밸브 부재와 하부 밸브 부재는 상기 배출 챔버로부터 상기 피스톤의 상기 헤드로 개방되고 상기 헤드 아래에 있는 헤드 공간으로 이어지는 내부에서 축방향으로 정렬된 채널을 가지며, 리프터 밸브가 상기 헤드 공간에서 음압 경사가 없는 상기 채널의 상부 단부를 폐쇄하기 위하여 상기 상부 밸브 부재와 접촉하도록 바이어스되고, 상기 상부 밸브 부재와 하부 밸브 부재는 상기 헤드 공간으로부터, 상기 공통 출구 포트로 이어지는 상기 유체 실린더 외부의 상기 하부 흐름 통로까지 관통하는 흐름 포트를 더 형성한다. 결과적으로 피스톤의 상향 운동은 리프터 밸브를 상승시켜 고압 연료를 헤드 공간 내로 허용하기에 충분한 음압 경사를 헤드 공간 내에 형성하고, 피스톤의 하향 운동은 리프터 밸브를 폐쇄하고 흐름 포트와 하부 흐름 통로를 통해 공통 출구 포트로 고압 연료를 배출한다.
도 1은 본 출원의 예시적인 고압 LNG/LH2/LN2/LAR 펌프 시스템의 외부 사시도이다;
도 2는 하나가 부분적으로 절개된 3개의 내부 선형 펌프 중 2개를 도시하는 도 1의 펌프 시스템의 단면도이다;
도 3a는 선형 펌프 중 하나의 사시도이고, 도 3b 및 도 3c는 내부 펌프의 부분들의 부분 단면도이다;
도 4는 선형 펌프 중 하나의 확대도이고, 도 4a 및 도 4b는 그 부분들의 분해도이다;
도 5는 도 4에 도시된 내부 펌프의 하부 단부의 분해 사시도이다;
도 6은 유압 작동 시스템을 활용하는 본 출원의 대안적인 펌프 시스템을 관통하는 수직 단면도이다; 그리고,
도 7은 개별적으로 밀봉된 선형 펌프를 갖는 본 출원의 대안적인 고압 LNG/LH2/LN2/LAR 펌프 시스템의 사시도이다.
본 설명 전체에 걸쳐, 도면에 나타나는 요소들에는 3자리 참조 지시자가 할당되고, 가장 중요한 숫자는 요소가 소개되는 도면 번호이고, 2개의 덜 중요한 숫자는 요소에 고유하다. 도면과 함께 설명되지 않은 요소는 동일한 참조 지시자를 갖는 이전에 설명된 요소와 동일한 특성과 기능을 가지는 것으로 추정될 수 있다.
본 출원은 특히 고압 연료 시스템을 갖는 선박 애플리케이션에서 사용하기 위한 개선된 모듈식의 선형으로 작동되는 고압 LNG/LH2/LN2/LAR 펌프 시스템을 개시한다. "선형 작동(linear actuation)"이라는 용어는, 종종 극심한 진동을 생성하는, 회전 운동을 직선 운동으로 변환하는 전통적인 모드에 의존하지 않는 시스템을 지칭하고, 따라서 선형 작동 메커니즘은 결과적인 동력 프로파일을 매끈하게 한다. 물론, 지금 개시되는 펌프 시스템은 유사한 이점을 갖는 선박이 아닌 열차, 트럭 및 버스를 포함하는 수송 애플리케이션에서 사용될 수 있다. 고압 LNG 펌프가 유용한 다른 비수송 영역은 산업용 가스 및 대안적인 연료 공급 애플리케이션을 포함한다. 게다가, 연료 공급을 위한 액체 천연 가스가 본 시스템을 이용하여 펌핑될 수 있는 주요 상품이더라도, 액체 질소, 수소, 아르곤 및 다른 극저온 액체 탄화수소가 또한 본 명세서에 설명된 펌프를 이용하여 처리될 수 있다. 본 명세서에 개시된 펌프 시스템은 축소된 크기와, 증가된 수명과, 감소된 운영 비용을 가지며, 유지하기 더 쉽다.
고압 펌프 시스템의 예시적인 속성의 상세한 논의 전에, 기존의 기계식 펌프에 따른 단점에 대한 이해가 필수적이다. 다음의 논의는 선행 기술에 있는 것의 승인인 것으로 의도되지 않고, 대신에 기존 시스템에서 출원인이 직접 본 것들의 일부에 대한 인식이다.
파트 1: 전통적인 왕복 펌프(Reciprocating Pump)
종래의 왕복 펌프 기술은 다음의 2개의 주요 부품으로 구성된다: "동력 단부(power end)"(종종 "구동 단부(drive end)" 또는 "웜 단부(warm end)"라 한다) 및 일을 하는 "유체 단부(fluid end)"(종종 "콜드 단부(cold end)"라 한다). 이러한 펌프들은 단일 실린더 배열 또는 공통 크랭크 샤프트 주위의 다중 실린더 배열로 구성될 수 있다. 다음의 문단들은 "단일 작동" 타입의 왕복 펌프를 논의할 것이며, 이는 동력 단부가 크랭크 샤프트를 향하여 피스톤 운동을 허용/유도함에 따라, 유체 단부가 흡입 압력으로 유체를 끌어당기고, 이어서 피스톤 운동에 의해 반전되어 크랭크 샤프트로부터 멀리 이동된 직후에 상대적으로 더 높은 배출 압력에서 유체 단부로부터 유체를 배출한다.
왕복 펌프는 전형적으로 유체 단부에서의 피스톤의 영역에 걸쳐 작용하는 그 펌프의 배출 압력의 결과로서 펌프의 구동에 부여되는 부하인 "로드 부하(rod load)"로 알려진 특성에 의해 제한된 성능을 가진다. 더 작은 피스톤은 로드 부하 한계에 도달하기 전에 더 높은 압력을 허용하지만, 이는 펌프의 흐름 용량을 감소시킨다. 반대로, 피스톤의 크기가 증가되면, 펌프의 흐름 용량은 증가할 것이지만, 이는 펌프의 최대 배출 압력을 감소시킨다. 이러한 펌프의 로드 부하 용량을 증가시키는 것은 거의 펌프의 동력 단부의 크기에 있어서의 비례적인 증가를 통해 성취된다.
동력 단부(Power Ends):
전통적으로는 동력 단부 디자인은 회전 운동 및 에너지를 취하고, 그 다음 동력 단부의 내부 부품들을 통해 이를 선형 운동 및 에너지로 변환한다. 이러한 내부 부품들은 일반적으로 2개의 배열 중 하나로 나뉜다.
제1 배열은 편심기(eccentric)가 동력 단부의 크랭크 샤프트에 장착되거나 일체화되는 캡/종동부(cam/follower) 타입이고, 작동 피스톤이 그 편심기에 지탱하고 그 편심기에 의해 변위된다. 이 디자인은 상대적으로 간단하고 저렴한 이점을 가지지만, 여러 한계를 지닌다. 제1 주요 한계는 "짧은 스트로킹(short stroking)"을 방지하도록 작동 피스톤을 편심기에 대하여 지탱하도록 유지시키기 위하여 작동 피스톤이 항상 부하가 걸린 상태를 유지하여야 한다는 것이다. 전형적으로, 이것은 피스톤이 편심기의 표면 상으로 확고하게 눌러진 상태를 유지하도록 피스톤에 충분한 흡입 압력을 제공함으로써 성취된다.
제2 배열은 커넥팅 로드(connecting rod)/크로스헤드(cross head) 피스톤 배열이다. 이 배열에서, 커넥팅 로드의 한 단부는 편심기의 외경과 커넥팅 로드 단부의 내경 사이의 인터페이스로서 베어링(전형적으로, 비마찰 전동 요소(rolling element) 타입이나 유체 역학 기름 베어링 타입)을 이용하여 편심기 주위로 동심으로 장착된다. 유체 역학 베어링 타입은 "비접촉" 베어링이라는 이점을 가지며, 따라서 시작, 정지 및 특정 동요 상태 동안에만 마모된다. 또한, 유체 역학 베어링은 왕복 펌프에서 캐비테이션(cavitation) 동요 상태와 종종 연관되는 충격 부하를 흡수하기 위한 일종의 완충재로서 이를 포함하는 오일 필름을 사용할 수 있는 이점을 가진다. 마지막으로, 유체 역학 베어링 디자인은 매우 컴팩트하여, 동력 단부의 전체 크기가 전동 요소 베어링 디자인보다 상당히 더 작게 할 수 있고, 제조 및 조립하기 더 쉽게 할 수 있다. 전동 요소 베어링은, 기능하기 위하여 유체 역학 오일 필름을 형성하는데(그리고 이에 따라 베어링의 접선 속도에) 의존하지 않기 때문에, 매우 낮은 턴다운비(turndown ratio)를 가능하게 하는 장점을 가진다. 또한, 그리스로 전동 요소 베어링을 윤활 처리하여 오일 시스템 또는 냉각 시스템에 대한 필요성을 제거할 수도 있다.
특정 베어링 배열 또는 다른 특정 내부 상세에 관계없이, 캠/종동기 및 커넥팅 로드/크로스헤드 피스톤 배열 모두가 공유하는 여러 단점이 있다. 첫 번째는 선형 운동을 형성하는데 필수적인 부품 모두를 포함하는 드라이브의 전체 크기 및 복잡성이다. 이러한 부품들은 전형적으로 제조하기에 매우 비싸며, 크기와 무게에 있어서 상대적으로 크다. 마모되는 부품(주로 시일(seal)과 베어링)은 일정한 간격으로 교체되어야 하고, 교체하기 어려우며, 고장이 발생할 때 전형적으로 일정 수준의 부수적인 혼란 또는 손상을 유발한다. 두 번째 단점은 이 종류의 모든 펌프가 펌프의 상류와 하류 모두에서 맥동류를 생성하고 유도한다는 것이다. 전통적인 왕복 펌프가 회전 운동을 직선 운동으로 변환하기 때문에, 이는 전통적인 왕복 펌프에 내재하며, 정현파 형태의 입구 및 출구 흐름을 의미한다. 이러한 맥동은 종종 "가속 헤드 손실 (acceleration head loss)" 또는 다른 말로 펌프 흡입의 상류에서 전체 유체 컬럼을 지속적으로 가속하거나 감속하여야 하는 것으로부터 초래되는 되는 손실이라고 불리는 펌프의 입구 측에서의 악영향을 생성한다. 하류 맥동은 전형적으로 시스템 부품 및/또는 배관(piping) 자체의 오작동 및/또는 고장을 일으킬 수 있는 고조파 진동을 배출 배관에서 야기한다. 이를 방지하기 위해, 일반적으로, 종종 "서지 챔버(surge chamber)"라 하는 고압 어큐뮬레이터의 형태로 댐핑 장치가 시스템에 추가되어야 한다. 장치는 고도로 설계되고 코딩된 용기인 경향이 있으며, 대개 비싸고 생산하기가 어렵다.
유체 단부(Fluid Ends):
전형적인 왕복 운동하는 유체 단부는 다양한 상이한 배열을 가질 것이지만, 일반적으로, 입구 포트, 출구 포트, 입구 체크 밸브, 출구 체크 밸브, 피스톤 및 패킹 시일을 항상 가질 것이다. 패킹 시일은 종종 플라스틱 재료이며, 보통 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene(PTFE))과 섬유 유리나 탄소와 같은 구조적 개질재의 혼합물이다.
유체 단부는 전형적으로 적합한 기능을 위하여 처리 유체를 그 안으로 또는 그 밖으로 운반하는 일련의 매니폴드(manifold)에 의해 피딩(feed)된다. 이러한 매니폴드는 간단한 튜브 가닥으로부터 밸브와 계기를 통합하는 복잡하게 제조된 배관 매니폴드와 고압 배출 유체의 수집을 위한 고압의 블록식 매니폴드까지 이른다. 이러한 매니폴드들은 다소 복잡하고, 비싼 경향이 있고, 다수의 관(tubing) 및 배관 연결부에 대한 호스트가 되어, 종종 이러한 연결부가 제대로 유지되지 않은 경우에 누설을 야기하고, 이러한 누설의 결과는 다음 문단에서 설명된다.
유체 단부에서의 불량의 한 모드는, 보통, 패킹이 마모되는 것이며, 처리 유체(종종 위험 물질)가 "동력 단부"와 "유체 단부" 사이 내의 중간 공간에 내로 누설되게 한다. 극저온의 경우에, 비폭발성 물질의 대량 누설이 질식 위험을 제기하기 때문에, 이것은 거의 항상 위험한 것으로 고려된다. 또한, 폭발성 물질(예를 들어, 수소 및 경질 탄화수소)도 이러한 위험을 제기하고, 추가적으로 원하지 않은 연소의 위험을 제기한다. 어떠한 경우에서도, 이러한 위험들은, 패킹의 불량을 위한 억제(containment) 및 표시(indication) 시스템 모두로서 사용되는, 비싸고 때때로 복잡한 퍼지 및 누설 검출 시스템의 존재를 통해 처리된다. 정상적인 상태 하에서, 패킹 시일에 마모를 유발하는 요소는 압력 차이, 피스톤 속력, 동작 사이클 수, 마찰, 패킹에 대한 피스톤의 오정렬 및 동력 단부로부터의 잔류 반경 방향 운동이다.
불량의 전형적인 2차 모드는 피스톤 링이다. 정상적이고 건강한 동작 상태 하에서, 피스톤 링은 패킹보다 상당히 더 긴 수명을 가질 것이다(그러나, 불리한 상태에서는, 이는 때때로 패킹보다 빨리 고장날 것이다). 고장난 피스톤 링은 환경적 위협을 제기하지 않는다; 그러나, 이러한 종류의 불량은 마모의 정도에 따라 흐름 및 배출 압력 성능에서 경미한 손실에서 심각한 손실까지 초래할 것이다. 정상적인 상태 하에서, 피스톤 링에 마모를 유발하는 요소는 압력 차이, 피스톤 속력, 동작 사이클 수, 마찰, 피스톤 링에 대한 피스톤의 오정렬 및 동력 단부로부터의 잔류 반경 방향 운동이다.
본 출원은 종래의 왕복 펌프에서의 전술한 단점들을 해결하는 펌프를 개시한다. 본 펌프 시스템은 동력 프로파일을 매끈하게 하는 선형 작동의 이점을 가진다. 위에서 기술된 바와 같이, "선형 작동"이라는 용어는 직선 운동으로의 회전 운동의 변환과, 이의 수반하는 진동 에너지를 방지하는 시스템을 지칭한다. 누설로 인한 불량을 방지하는 동적 시일은 없다. 매끈하고 맥동이 없는 출력과, 동적 시일이 없는 것의 주요 혜택은 펌프의 더 긴 수명을 의미한다.
도 1은 본 출원의 예시적인 고압 LNG/LH2/LN2/LAR 펌프 시스템(20)의 외부 사시도이고, 도 2는 하나가 부분적으로 절개된 3개의 내부 선형 펌프(22) 중 2개를 도시하는 펌프 시스템의 단면도이다. 각각의 시스템 내의 선형 펌프(22)의 개수는 모듈식 디자인에 기초하여 크게 변경될 수 있지만, 전형적으로 2개 내지 12개일 것이다. 시스템(20)은, 바람직하게는, 하부 하우징(26)에 볼트 결합된 상부 하우징(24) 내로 분리된 외부의 밀봉된 하우징을 특징으로 한다. 내부 선형 펌프(22)의 각각은 이 경우에 전기-기계 액추에이터인 상부 구동 유닛(30)과, 유입 밸브 및 유출 밸브를 포함하는 하부 유체 분배 컬럼(32)을 포함한다.
상부 하우징(24)은 하부 하우징(26)의 상부에서의 확장된 플랜지(42)에 볼트 결합된 확장된 원주 플랜지(40)를 가진다. 상부 구동 유닛(30)은, 선형 펌프의 임의의 구동 부품을 점검하기 위하여 벨 형상의 상부 하우징이 제거될 수 있도록, 부착된 어떠한 도관이 없는 상부 하우징(24) 내에 위치된다. 예를 들어, 상부 하우징(24)의 상부 뚜껑(43)은 그 내의 구동 유닛(30)에 접근하기 위하여 제거될 수 있다.
전기-기계 또는 유압 구동 펌프의 각각의 하부 유체 분배 컬럼(32)은 하우징에 의해 형성된 내부 캐비티 내에서 플랜지(40, 42)를 지나서 하부 챔버(44) 내로 아래로 연장한다. 하부 하우징(26)의 하부 단부는 제2 고리형 플랜지(50)에 대하여 사이에 끼워진 하부 매니폴드 플레이트(46)에 볼트로 부착되는 고리형 플랜지(48)를 가진다. 제1 플랜지(48)는 하부 하우징(26)의 외부에 고정되고, 제2 플랜지(50)는 하부 연료 저장 탱크(52)에 고정된다. 연료 저장 탱크(52)가 펌프 시스템(20) 바로 아래에 도시되지만, 이는 시스템 위나 아래에 멀리 떨어져서 위치될 수 있다. 바람직하게는, 도시된 연료 저장 탱크(52)는 단지 원격의 메인 탱크(도시되지 않음)로부터 가압된 연료를 공급받는 보유(holding) 탱크이다. 부착된 하우징(24, 26) 내의 상부 구동 유닛(30)과 하부 유체 분배 컬럼(32)의 인클로저(enclosure)는 펌프 시스템을 위한 밀봉된 환경을 제공한다. 따라서, 본 시스템 내의 임의의 선형 펌프(22)로부터의 임의의 누설은 공통 하우징(24, 26) 내의 공간에 수용될 것이다. 아울러, 하우징(24, 26) 내의 압력은 유입되는 연료의 압력에 E또는 그에 매우 가까이 유지될 수 있고, 이는 피스톤/실린더 어셈블리 내부로부터의 누설을 크게 감소시킨다.
도 1을 다시 참조하면, 펌프 시스템(20)으로부터 연장하는 다수의 도관이 도시된다. 하부 연료 도관(60)은 펌프 시스템 아래의 저장 탱크(52) 내로 개방되는 연료 입구를 포함한다. 중간 유체 도관(62)은 그 내부의 액체 레벨 제어를 위하여 하부 하우징(26) 내의 하부 챔버(44)로 개방된다. 마지막으로, 상부 유체 도관(64)도 압력 제어를 허용하도록 하부 챔버(44)로 개방된다. 한 쌍의 더 큰 계기 도관(instrument conduit)(70, 72)은 하부 챔버(44)로 개방되어, 선형 펌프(22)의 구동 유닛(30)에 연결되는 다수의 전력 및 전기 계기 케이블(도시되지 않음)을 위한 피드스루(feedthrough)를 제공한다. 도관(70, 72)이 하우징(26)에 연결되기 때문에, 상부 하우징(24)은 구동 유닛(30)을 점검하기 위하여 용이하게 제거될 수 있다.
또한, 도 1은 유체 주입 화살표(74)와 유체 배출 화살표(76)를 도시한다. 언급된 바와 같이, 원격의 탱크로부터 유입하는 유체는 하부 유체 도관(60)을 통해 저장 탱크(52)에 의해 형성된 내부 챔버 내로 이동한다. 도 3a는 선형 펌프(22) 중 하나의 사시도이고, 도 3b 및 도 3c는 선형 펌프(22) 중 하나의 부분 단면도이다. 도 4는 선형 펌프 중 하나의 하부 단부의 확대도이고, 도 4a 및 도 4b는 그 부분들의 분해도이다. 마지막으로, 도 5는 내부 펌프의 하부 단부의 분해 사시도이고, 이 도면에 도시된 부품들은 조립된 도면과 함께 참조되어야 한다.
도 3b는 저장 탱크(52)를 선형 펌프(22)의 각각의 유체 분배 컬럼(32)의 하부 내부 챔버에 연결하는 매니폴드 플레이트(46)를 통해 수직으로 연장하는 한 쌍의 흐름 통로(78)를 도시한다. 도 3c 및 도 4b는 모두 서로 아래위로 적층된 한 상의 밸브 부재(84, 86)를 통해 하부 배출(sump) 챔버(82)로부터 위로 향해 이어지는 복수의 수직 채널(80) 중 하나를 도시한다. 채널(80)은, 바람직하게는, 밸브 부재(84, 86)의 공통 축 주위로 균일하게 이격되고, 아무데나 2 내지 16개의 채널이 있을 수 있다(도 5 참조). 수직 채널(80)은 고리형 리프터(lifter) 밸브(88) 아래의 상부 밸브 부재(84)의 상부에서의 이의 상부 단부에서 개방된다. 리프터 밸브(88) 위에, 피스톤(94)의 헤드(92) 바로 아래의 헤드 공간(90)이 있다.
언급된 바와 같이, 상부 구동 유닛(30)(전기-기계 또는 유압 액추에이터)는 주기적 방식으로 피스톤(94)을 선형으로 구동하도록 작동한다. 컬럼(30) 내에서 활주하는(sliding) 피스톤(94)의 상향 및 하향 움직임은 저장 탱크(52)로부터 유체를 인출하고 궁극적으로 이를 도 1에서 유체 배출 화살표(76)로 표시되는 출구 포트로 이어지는 매니폴드 플레이트(46) 내의 제2 흐름 통로(96)(도 2 및 도 3c 참조)를 통해 배출한다. 복수의 하부 흐름 통로(96)가 복수의 선형 펌프(22)에 공통인 단일 출구 포트(76)로 이어진다는 것이 이해될 것이다. 선형 펌프(22)의 조직화된 작동은 공통 출구 포트를 통해 매끈하고 일정한 출력 압력 프로파일을 가능하게 한다.
피스톤(94)의 헤드(92)는 슬리브(sleeve) 부재(100)의 내부 루멘(lumen)과의 밀봉식 활주(sliding) 접촉을 제공하는 일련의 수직으로 이격된 피스톤 링(98)(도 4b 및 도 5 참조)을 가진다. 슬리브 부재는 유체 분배 컬럼(32)의 하부 하우직 섹션(101)의 내부 실린더 캐비티 내에 단단히 끼워진다. 피스톤(94)의 상향 운동은, 결과적으로 수직 채널(80)을 통해 배출 챔버(92)로부터 유체를 끌어당기는, 헤드 공간(90) 내의 음압 경사를 생성한다. 리프터 밸브(88)는 헤드 공간(90) 내의 흡입이 미리 정해진 양을 초과할 때까지 리프터 밸브의 상부에 설치된 코일 스프링(102)에 의해 폐쇄된 채널(80)의 상부 단부를 유지한다. 하부 하우징 섹션(101)의 상부 단부에서, 관형(tubular) 시일(104)은 피스톤(94)을 지나는 슬리브 부재(100) 내로부터 임의의 유체 또는 가스의 누출을 방지한다.
피스톤(94)이 이의 이동의 상부에 도달하면, 리프터 밸브(88)는 수직 채널(80) 위로 닫힌다. 피스톤(94)의 하향 움직임은 유체를 상부 및 하부 밸브 부재(84, 86) 내에 정렬된 중앙 흐름 포트(110)를 통해 헤드 공간(90) 내로 인입되게 한다. 도 3c에 보이는 바와 같이, 유체는 그 다음 예를 들어 일방향 밸브를 통해 매니폴드 플레이트(46) 내에서 제2 흐름 통로(96)를 통해 배출된다.
하부 유체 분배 컬럼(32)의 전술된 어셈블리는 필요한 시일의 개수를 줄이고 이에 따라 누설을 감소시키기 위하여 통합된 흡입, 배출 및 유압(적용 가능한 경우에) 매니폴드를 특징으로 한다. 더욱 구체적으로는, 주입(즉, 매니폴드 플레이트(46) 및 흐름 통로(78, 80)), 배출(매니폴드 플레이트(46), 중앙 흐름 포트(110) 및 흐름 통로(96)) 및 통기 매니폴드가 펌프 내로 직접 통합되어, 이들을 제조하고 펌핑 시스템 내에 설치하는 필요성을 제거하며, 이는 필요한 피팅류의 개수를 극적으로 감소시킨다. "통기 매니폴드(vent manifold)"는, 언급된 바와 같이, 바람직하게는 주입 연료와 동일한 압력으로 유지되는 밀봉된 하우징의 내부를 포함한다.
도 4 및 도 4a를 다시 참조하면, 상부 구동 유닛(30)으로부터 아래로 향하는 것에 따라 피스톤(94)이 출력 샤프트(120)에 의해 구동된다는 것이 주목되어야 한다. 출력 샤프트(120)는 도 5에서 분해되어 도시된 커플링 어셈블리(122)를 통해 피스톤(94)에 연결된다. 도 3은 유체 분배 컬럼(32)의 상부 하우징 섹션(126) 내의 지름 방향으로 대향하는 한 쌍의 윈도우(124) 중 하나를 도시한다. 윈도우(124)는 상부 구동 유닛(30) 또는 유체 분배 컬럼(32)의 부품을 수리/교체할 필요가 있는 경우 커플링 어셈블리(122)를 설치/제거하기 위한 액세스를 제공한다. 즉, 커플링 어셈블리(122)는 이러한 2개의 주요 유닛을 용이하게 분리할 수 있게 한다.
도 6은 유압 장치를 활용하는 본 출원의 대안적인 펌프 시스템(140)을 관통하는 수직 단면도이다. 더욱 구체적으로는, 대안적인 펌프 시스템(140)의 요소들은 동력화 시스템에 대하여 전술된 것과 동일하지만, 상부 구동 유닛(30)이 유압 피스톤/실린더 어셈블리(142)를 포함한다. 즉, 커플링 어셈블리(122)에 연결되는 출력 샤프트(144)는 피스톤/실린더 어셈블리(142)의 피스톤을 형성하는 상부 헤드(146)를 가진다. 가압된 유체, 바람직하게는, 유압 오일의 상부 실린더 챔버(148) 내로의 순환 도입 및 인출은 출력 샤프트(144)를 구동하고, 이는 결과적으로 메인 피스톤(94)을 구동한다. 도시되지 않지만, 선형 가변 차동 트랜스듀서(linear variable differential transducer(LVDT))는, 바람직하게는, 유압 실린더를 따라 어디엔가 장착되고, 실린더 내의 유압 피스톤의 위치를 지속적으로 직접 모니터링하는 기능을 한다. 피드백 및 제어 소프트웨어와 함께, LVDT는 유압 피스톤의 위치, 속도 및 가속도를 매우 정밀하게 제어할 수 있게 한다.
도 7은 개별적으로 밀봉된 선형 펌프를 갖는 본 출원의 대안적인 고압 LNG/LH2/LN2/LAR 펌프 시스템(200)의 사시도이다. 시스템(200)은 각각, 위에서 도시된 바와 같이, 상부 구동 유닛과, 유입 밸브 및 유출 밸브를 포함하는 하부 유체 분배 컬럼을 갖는, 일련의 내부 선형 펌프(도시되지 않음)를 포함한다. 그러나, 단일 펌프 유닛의 전부를 둘러싸는 외부 하우징(24, 26) 대신에, 각각의 유닛은 자신의 대체로 관형인 외부 하우징(202) 내에 밀봉된다. 따라서, 펌프 중 임의의 하나 내의 임의의 누설은 자신의 밀봉된 하우징(202) 내에 수용될 것이다. 하부 원형 매니폴드 플레이트(206)는 필요한 유체 이송을 용이하게 하기 위하여 필수적인 매니폴드, 포트 및 흐름 연결부를 포함한다. 연결부의 일부는 도시되지 않으며, 하우징(202) 내의 개별 펌프의 각각이 공통 외부 케이싱 내에 수용된 전술한 것과 같은 유사한 방식으로 기능한다는 것이 이해되어야 한다.
본 명세서에 개시된 펌프는 전통적인 왕복 펌프 기술로부터의 다수의 방식에서의 명백한 이탈이다. 여전히 "동력 단부"와 "유체 단부"가 있지만, 이러한 부품들의 아키텍처와 이들이 서로 상호 작용하는 방식은 변경되었다. 이 펌핑 시스템의 모든 부품은 시일 케이싱(24, 26) 내로 통합되어, 대기로 누설되는 위험 유체로 변환되는 전술한 문제점을 완전히 제거하고, 그 누설을 모니터링하고 방지하는데 필요한 인프라스트럭처를 제거한다. 주입, 배출 및 통기 매니폴드는 펌프 내로 직접 통합되어 펌핑 시스템 내에 이들을 제조하고 설치하는 필요성을 제거하고, 필요한 피팅류의 개수를 극적으로 감소시켜 누설 위험을 추가로 제거한다.
예시적인 펌프는, 단일 또는 이중 작용하는 유체 단부와 함께 사용 가능한 다수의 실린더 유닛(예를 들어, 도시된 바와 같은 3개의 유닛(30))으로서 구성될 때 이의 최대 기능 및 효율을 보여준다. 실린더는 수직 배열로 배열된다. 전통적인 왕복 펌프와는 다르게, 본 펌프의 각각의 실린더는 독립적으로 제어 가능하여, 전례 없는 흐름 제어, 압력 제어 및 턴다운비를 가능하게 한다. 본 펌프는 단지 전통적인 왕복 펌프를 대체하지는 않는다; 이는 전통적인 왕복 펌프를 동작시키는데 필요한 상당한 양의 지지 인프라스트럭처에 대한 필요성을 제거하여, 새로운 펌핑 기계 솔루션이 아니라, 대신에 새로운 펌핑 시스템 솔루션으로 이를 만든다.
동력 단부 (Power Ends):
본 펌프의 동력 단부는 유압식 또는 전기식으로 작동되는 유닛으로서 사용 가능하다. 전기 및 유압 구동 유닛은, 기계적으로 다르지만, 전통적인 왕복 펌프 동력 단부에 비교될 때 동일한 이점을 제공한다.
전통적인 동력 단부와 다르게, 본 펌프의 동력 단부는 (왕복 운동으로 전환되는 회전 운동이 아니라) 순수한 선형 운동을 제공한다. 또한, 각각의 실린더 상의 구동 유닛은, 전통적인 디자인과 같이 크랭크 샤프트를 통해 기계적으로 연결되지 않기 때문에, 독립적으로 제어 가능하다. 각각의 구동은 전기적으로 제어되고, 다양한 애플리케이션에 대하여 그리고 주어진 애플리케이션 내에서의 특정 동작에 대하여 구체적으로 맞추어진 위치, 속력 및 가속도와 같은 파라미터를 가질 수 있다.
제1 구동 방법은 유체 단부를 구동하기 위하여 유압 실린더를 사용하는 것이다. 피스톤의 이동의 선형율(linear rate)은 유압 실린더 내로의 유량에 의해 그리고 유압 실린더 내의 피스톤의 지름에 의해 결정된다. 유압 실린더의 최대 "로드 부하(rod load)"는 실린더 내의 피스톤의 면적과 이에 작용하는 유압 압력의 함수이다. 이 배열의 이점은 로드 부하 능력이 유압 압력을 증가시키거나 유압 피스톤의 지름을 증가시켜 증가될 수 있다는 것이다. 유압 실린더 내로의 유량은 전자 서보 밸브를 통해 제어된다. 서보 밸브는 다축 전자 컨트롤러 내에 포함된 소프트웨어를 통해 제어된다. 이 컨트롤러로의 입력은 바람직하게는 유압 실린더에 장착된 선형 가변 차동 트랜스듀서(LVDT)를 통해 제공된다. 이 트랜스듀서는 실린더 내의 유압 피스톤의 위치를 지속적이고 직접적으로 모니터링한다. 동시에, 이러한 성분들은 유압 피스톤 움직임의 위치, 속력 및 가속도 성분을 매우 정밀하게 제어할 수 있는 폐쇄 루프 제어 시스템을 형성한다.
제2 구동 방법은 유체 단부를 구동하기 위하여 전기-기계 액추에이터를 사용하는 것이다. 본질적으로, 이 액추에이터는 전기 모터에 의해 구동되는 볼 스크루이다. 액추에이터의 이동의 선형율은 전기 모터의 속력에 직접 비례한다. 액추에이터의 최대 로드 부하는, 기본적으로, 사용 가능한 모터 토크의 함수이다. 이 로드 부하는 일반적으로 전기 모터의 크기 또는 암페어 용량을 증가시켜 증가될 수 있다. 모터의 토크 및 속력은 전용 모터 구동 컨트롤러에 의해 제어된다(가변 주파수 구동과 유사). 액추에이터의 위치는 모터가 수행하는 회전 위치 및 회전수를 통해 제어된다. 이러한 파라미터들은 전자 회전 정류자(commutator)를 통해 모니터링된다. 컨트롤러는 모터 회전수를 계수하기 위하여 정류자로부터의 출력을 이용하고, 그 다음, 액추에이터의 축방향 위치를 계산하기 위하여 볼 스크루의 피치를 활용한다. 동시에, 이러한 컴포넌트들은 전기-기계 액추에이터의 움직임의 위치, 속력 및 가속도 성분을 매우 정밀하게 제어할 수 있는 폐쇄 루프 제어 시스템을 형성한다.
각각의 경우에, 구동 시스템은 전통적인 왕복 펌프 동력 단부보다 상당히 간단하다. 이는 본질적으로 구동 시스템의 전체 신뢰성을 더한다. 구동 부품들은 유지 보수가 필요할 때 접근하기에 상대적으로 용이하다. 불량은 온보드 계기를 통해 검출 가능하다. 각각의 실린더에서의 구동이 서로 기계적으로 연결되지 않기 때문에, 이러한 불량은 전형적으로 최악이지는 않을 것이다. 불량의 경우에, 실린더는 독립적으로 정지될 수 있고, 펌핑 시스템의 동작은 감소된 출력이나 증가된 듀티 사이클로 계속될 수 있다. 도 7에 도시된 실시예에서와 같이, 펌프가 개별적으로 밀봉되어 있다면, 이것은 특히 쉬울 것이다.
실린더의 운동은 어떠한 프로파일이 요구되더라도 맞추어질 수 있다. 이것은 전형적인 왕복 운동 동력 단부로 경험될 수 있는 정현파 배출 프로파일의 제거를 허용하기 때문에 유익하다. 대신에, 배출 프로파일은 지속적이고 맥동이 없는 출력 흐름 및 압력을 제공하도록 맞추어질 수 있다. 이것은 가속 헤드 손실, 상당한 양의 시스템 진동 및 압력 맥동과 진동을 보상하는데 전통적으로 사용되는 복잡하고 비싼 인프라스트럭처(예를 들어, "서지 챔버(surge chamber)")에 대한 필요성을 효율적으로 제거한다.
이러한 구동 시스템의 디자인은 이것이 (전통적인 동력 단부가 그러하듯) 적합한 윤활을 유지하기 위하여 구동 속력에 종속하지 않도록 하는 것이다. 이것은 본 펌프가 믿기 어려울 정도로 낮은 유량까지 "턴다운될(turned down)" 수 있어, 전통적인 기술로는 얻을 수 없는 것인 거의 무한한 턴다운비를 제공한다는 것을 의미한다. 예를 들어, 본 펌핑 시스템의 최대 동작 속력은 바람직하게는 분당 대략 120 사이클이지만, 시스템은 분당 1 사이클과 같은 낮은 속도로 동작될 수 있다.
유체 단부 (Fluid Ends):
전형적인 왕복 운동 유체 단부와 유사하게, 본 펌프의 유체 단부는 입구 포트, 출구 포트, 입구 체크 밸브, 출구 체크 밸브 및 피스톤을 가지지만, 이전 디자인과는 다르게, 이 유체 단부는 패킹을 가지지 않는다.
일련의 복잡한 매니폴드에 의해 피딩되는 대신에, 본 펌프의 유체 단부는 본 펌프의 몸체 내로 직접 통합된 결합된 주입 및 배출 매니폴드에 의해 피딩된다. 이 디자인에서는 튜브, 파이프 또는 피팅류가 없다. 콜드 단부는 전술한 매니폴드를 통해 펌프 구조 내로 직접 장착된다. 통기 가스는 본 펌프의 밀봉식 구조의 고리형 공간 내로 무해하게 흐른다. 본 펌프 상의 처리 연결부는, 전통적인 기술에 비교할 때, 수십 개에서 바람직하게는 10개 미만으로, 더욱 바람직하게는 3 또는 4개로 상당히 감소된다.
전통적인 기술에서의 주요 불량 모드는 보통 패킹이 마모하여, 처리 유체가 대기로 누설되게 한다는 것이다. 패킹은 본 펌프 디자인에서 제거되었다. 유체 단부는 밀봉된 펌프 케이싱 내에 수용된다. 이 펌프 케이싱은 펌프에 피딩하고 있는 유체와 동일한 압력으로 유지된다. 이와 같이, 누설 흐름을 촉진하는 콜드 단부의 내부로부터 외부로의 차동 압력이 없고, 따라서 패킹이 필요하지 않다. 패킹이 제거되는 것에 따라, 새로운 주요 불량 모드는 전형적으로 패킹보다 상당히 더 긴 수명을 갖는 물품인 피스톤 링의 불량 모드이다. 유체 단부의 수명을 더 증가시키기 위하여, 본 펌핑 시스템의 최대 동작 속력은 분당 대략 120 사이클이다.
요약하면, 전체 아키텍처는 다음을 포함하지만 이에 한정되지 않는 여러 이점을 제공한다:
● 밀봉식 디자인
● 패킹이 없는 콜드 단부는 주요 마모 부분을 제거한다
● 최대 수명(점검 사이의 20,000 시간 이상의 평균 시간)을 위한 분당 최대 120 사이클
● 거의 무한한 턴다운비
● 유압식 또는 전기식으로 동력 공급됨
● 통합된 흡입, 배출 및 유압(적용 가능한 경우) 매니폴드
● 맥동 없는 동작(서지 챔버가 필요 없음)
삭제
● 통합된 물-글리콜 기화기 사용 가능
본 개시 내용은 전형적으로 해양, 산업용 가스 및 다른 에너지 연료 시스템과 같은 고압 연료 시스템을 갖는 애플리케이션을 위한 고압 펌프를 제공한다. 예시적인 펌프는 종래의 디자인에 비하여 크기를 줄이고 단순화하는 의도로 디자인될 뿐만 아니라, 200 내지 500%의 수명 증가, 상당히 감소된 운영 비용 및 더 용이한 유지 보수성을 갖는 것에 초점을 둘 것이다. 이 디자인의 특징들은 130 GPM까지의 유량, 900 내지 1000 bar까지의 배출 압력, 완전히 수용되고 밀봉된 패키지 및 선형 전기-기계 또는 유압 작동을 이용하는 구동/제어를 포함할 것이다. 이들은 전형적으로 2개의 유닛 세트로 판매될 것이지만, 디자인은 이것이 실린더 불량의 경우에 감소된 용량으로 단일 유닛의 연속된 동작을 허용하는 것이다.
맺음말(Closing Comments)
본 설명 전체에 걸쳐, 도시된 실시예들 및 예들은, 개시되거나 청구된 장치 및 절차에 대한 제한이 아니라, 예시로서 고려되어야 한다. 본 명세서에서 제공된 많은 예들이 방법 동작들과 시스템 요소들의 특정 조합을 포함하지만, 이러한 동작들과 요소들이 동일한 목적을 달성하기 위하여 다른 방식으로 결합될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 하나의 실시예에만 관련하여 논의된 동작들, 요소들 및 특징들은 다른 실시예에서 유사한 역할로부터 배제되는 것으로 의도되지 않는다.

Claims (24)

  1. 매끄럽고 맥동이 없는(pulse-free) 출력을 제공하기 위하여 연료 소스로부터의 극저온(cryogenic) 연료를 펌핑하기 위한 시스템에 있어서,
    다축 전자 컨트롤러 내에 포함된 소프트웨어;
    복수의 선형 펌프로서, 각각,
    i. 상부 동력 단부(power end)와 하부 유체 단부(fluid end) - 상기 동력 단부는 축을 따라 선형으로 왕복 운동하는 구동 샤프트에서 끝나는 선형 작동형 구동 시스템을 가짐 -;
    ii. 상기 다축 전자 컨트롤러 내에 포함된 상기 소프트웨어를 통해 독립적으로 제어 가능한 각각의 펌프의 동력 단부 구동 시스템;
    iv. 유체 실린더 내에서 선형으로 왕복 운동하도록 상기 동력 단부의 상기 구동 샤프트에 결합된 피스톤을 갖는 상기 유체 단부 - 상기 피스톤은 상기 유체 실린더의 내부 루멘(lumen)과의 밀봉식 활주(sliding) 접촉을 제공하는 상부에 분포된 복수의 피스톤 링을 구비하는 헤드를 가짐 -;
    v. 상기 피스톤과 상기 실린더 사이에는 패킹 시일(seal)이 없음; 및
    i. 극저온 유체 소스와 유체 연통하고, 각각의 유체 실린더의 하부 단부로 이어지고, 내부에서 상기 피스톤의 상기 헤드로 개방되고 그리고 상기 헤드의 아래에 있는 헤드 공간과 밸브 연통하는 입구 통로 - 상기 피스톤의 상향 운동은 상기 헤드 공간 내로 극저온 연료를 허용하기에 충분한 음압 경사를 상기 헤드 공간 내에 형성하고, 상기 피스톤의 하향 운동은 하부 흐름 통로를 통해 그리고 모든 상기 유체 실린더에 공통인 출구 포트 내로 극저온 연료를 배출함 -;
    를 포함하는, 상기 복수의 선형 펌프; 및
    각각의 펌프의 상기 상부 동력 단부 및 상기 하부 유체 단부를 포함하는 하나 이상의 상기 선형 펌프의 주위로 배치되고, 상기 하나 이상의 선형 펌프를 완전히 봉입하고, 상기 유체 실린더 내부로부터 배출되는 임의의 상기 극저온 연료를 수용하도록 밀봉되는, 밀봉된 하우징
    을 포함하고,
    상기 시스템의 동작은 맥동이 없는 출력 압력 프로파일을 생성하기 위하여, 개별 펌프들의 조직화된 작동을 포함하는 것을 특징으로 하는, 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    각각의 동력 단부 구동 시스템은, 축을 따라 정렬된 회전하는 볼 스크루 형태의 액추에이터를 갖는 전기-기계 액추에이터를 포함하고, 상기 시스템은, 상기 액추에이터의 회전 움직임을 모니터링하기 위한 센서와, 상기 구동 샤프트 및 그에 따른 피스톤의 위치, 속도 및 가속도 성분을 제어하도록 구성된 폐쇄 루프 제어 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는, 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    각각의 동력 단부 구동 시스템은, 상향 및 하향 움직임이 전자 서보 밸브에 의해 제어되는 상기 구동 샤프트 위의 유압 실린더를 포함하는 것을 특징으로 하는, 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 유압 실린더 내의 상기 피스톤의 위치를 모니터링하는 상기 유압 실린더에 장착된 선형 가변 차동 트랜스듀서(linear variable differential transducer(LVDT))와, 상기 구동 샤프트 및 그에 따른 피스톤의 위치, 속도 및 가속도 성분을 제어하도록 구성된 폐쇄 루프 제어 시스템을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    복수의 상기 선형 펌프 주위로 밀봉된 단일 외부 하우징이 있는 것을 특징으로 하는, 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    각각의 선형 펌프의 상기 하부 흐름 통로가 연결되는 공통 하부 매니폴드(manifold)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 외부 하우징은, 상기 상부 동력 단부를 둘러싸고, 상기 하부 유체 단부를 둘러싸는 하부 하우징에 고정되는 상부 하우징을 포함하고, 상기 동력 단부 구동 시스템을 점검하기 위하여 상기 상부 하우징이 용이하게 제거될 수 있도록 상기 상부 하우징에 부착된 도관(conduit)이 없는 것을 특징으로 하는, 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 선형 펌프 각각의 주위로 밀봉된 개별 외부 하우징이 있고, 각각의 선형 펌프의 상기 하부 흐름 통로가 연결되는 공통 하부 매니폴드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    극저온 연료를 공급받아 저장하기 위한 입구 탱크는 상기 복수의 선형 펌프 아래에 위치되고, 상기 시스템은 각각의 선형 펌프의 상기 입구 통로가 연결되는 상기 입구 탱크 위에 배치되는 매니폴드를 포함하는 것을 특징으로 하는, 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    각각의 유체 실린더의 상기 입구 통로의 밸브는 상부 밸브 부재와 하부 밸브 부재로 이루어진 밸브 부재와 리프터 밸브로 구성되고, 상기 밸브는 상기 유체 실린더의 하부 단부에서 배출 챔버(sump chamber)에 개방되며, 상부 밸브 부재와 하부 밸브 부재가 서로 위아래로 적층되되 하부 밸브 부재의 하부 단부와 상기 유체 실린더 사이에 상기 배출 챔버가 위치되고, 상기 상부 밸브 부재와 하부 밸브 부재는 상기 배출 챔버로부터 상기 피스톤의 상기 헤드로 개방되고 상기 헤드 아래에 있는 헤드 공간으로 이어지는 내부에서 축방향으로 정렬된 채널을 가지며, 리프터 밸브가 상기 헤드 공간에서 음압 경사가 없는 상기 채널의 상부 단부를 폐쇄하기 위하여 상기 상부 밸브 부재와 접촉하도록 바이어스되고, 상기 상부 밸브 부재와 하부 밸브 부재는 상기 헤드 공간으로부터, 상기 공통 출구 포트로 이어지는 상기 유체 실린더 외부의 상기 하부 흐름 통로까지 관통하는 흐름 포트를 더 형성하고, 상기 피스톤의 상향 운동은 상기 리프터 밸브를 상승시켜 극저온 연료를 상기 헤드 공간 내로 허용하기에 충분한 음압 경사를 상기 헤드 공간 내에 형성하고, 상기 피스톤의 하향 운동은 상기 리프터 밸브를 폐쇄하고 상기 흐름 포트와 상기 하부 흐름 통로를 통해 상기 공통 출구 포트로 상승된 압력으로 극저온 연료를 배출하는 것을 특징으로 하는, 시스템.
  11. 매끄럽고 맥동이 없는(pulse-free) 출력을 제공하기 위하여 연료 소스로부터의 극저온(cryogenic) 연료를 펌핑하기 위한 방법에 있어서,
    각각 직렬로 상부 동력 단부(power end)와 하부 유체 단부(fluid end)를 포함하는 복수의 선형 펌프를 갖는 펌핑 시스템을 제공하는 단계 - 상기 동력 단부는 축을 따라 선형으로 왕복 운동하는 구동 샤프트에서 끝나는 선형 작동형 구동 시스템을 가지고, 상기 시스템은 다축 전자 컨트롤러 내에 포함된 소프트웨어를 가지고, 각각의 펌프의 동력 단부 구동 시스템은 상기 다축 전자 컨트롤러 내에 포함된 상기 소프트웨어를 통해 독립적으로 제어 가능하고, 각각의 선형 펌프의 상기 유체 단부는 유체 실린더 내에서 선형으로 왕복 운동하도록 상기 동력 단부의 상기 구동 샤프트에 결합된 피스톤을 가지고, 각각의 선형 펌프는 마모를 줄이고 동작 수명을 연장하기 위하여 상기 피스톤과 상기 유체 실린더 사이에 패킹 시일(seal)을 가지지 않고, 상기 복수의 선형 펌프의 상기 유체 실린더는 공통 출구 포트로 이어지는 출구 흐름 통로를 가짐 -;
    연료 소스로부터 상기 복수의 선형 펌프 각각의 상기 유체 실린더의 입구 통로로 극저온 연료를 공급하는 단계;
    극저온 연료를 각각의 상기 유체 실린더로 인입시키고 상기 출구 흐름 통로를 통해 상기 공통 출구 포트로 상기 극저온 연료를 배출하도록 상기 복수의 선형 펌프 각각의 상기 구동 샤프트 및 결합된 피스톤을 변위시키도록 상기 구동 시스템을 작동시키고, 맥동이 없는 출력 압력 프로파일을 생성하도록 개별 선형 펌프들의 작동을 조직화하는 단계; 및
    각각의 펌프의 상기 상부 동력 단부 및 상기 하부 유체 단부를 포함하는 하나 이상의 상기 선형 펌프의 주위로 배치되고, 상기 하나 이상의 선형 펌프를 완전히 봉입하고, 상기 유체 실린더 내부로부터 배출되는 임의의 상기 극저온 연료를 수용하도록 밀봉되는 밀봉된 하우징을 제공하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는, 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    각각의 동력 단부 구동 시스템은 축을 따라 정렬된 회전하는 볼 스크루 형태의 액추에이터를 갖는 전기-기계 액추에이터를 포함하고, 상기 시스템은 상기 액추에이터의 회전 움직임을 모니터링하기 위한 센서와, 상기 구동 샤프트 및 그에 따른 피스톤의 위치, 속도 및 가속도 성분을 제어하도록 구성된 폐쇄 루프 제어 시스템을 포함하고, 매끈하고 맥동이 없는 출력을 생성하기 위하여 상기 복수의 선형 펌프의 작동을 조직화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    각각의 동력 단부 구동 시스템은 상향 및 하향 움직임이 전자 서보 밸브에 의해 제어되는 상기 구동 샤프트 위의 유압 실린더를 포함하는 것을 특징으로 하는, 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 유압 실린더 내의 상기 피스톤의 위치를 모니터링하는 상기 유압 실린더에 장착된 선형 가변 차동 트랜스듀서(linear variable differential transducer(LVDT))와, 상기 구동 샤프트 및 그에 따른 피스톤의 위치, 속도 및 가속도 성분을 제어하도록 구성된 폐쇄 루프 제어 시스템을 더 포함하고, 매끈하고 맥동이 없는 출력을 생성하기 위하여 상기 복수의 선형 펌프의 작동을 조직화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 방법.
  15. 제11항에 있어서,
    밀봉된 하우징을 제공하는 단계는, 단일 하우징으로 상기 복수의 선형 펌프를 봉입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 하우징은, 상기 상부 동력 단부를 둘러싸고, 상기 하부 유체 단부를 둘러싸는 하부 하우징에 고정되는 상부 하우징을 포함하고, 상기 동력 단부 구동 시스템을 점검하기 위하여 상기 상부 하우징이 용이하게 제거될 수 있도록 상기 상부 하우징에 부착된 도관(conduit)이 없는 것을 특징으로 하는, 방법.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 밀봉된 하우징을 제공하는 단계는, 개별 하우징으로 상기 복수의 선형 펌프 중 각각의 하나를 봉입하는 단계를 포함하고, 각각의 선형 펌프의 상기 출구 흐름 통로가 연결되는 공통 하부 매니폴드(manifold)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 방법.
  18. 제11항에 있어서,
    입구 탱크가 상기 복수의 선형 펌프 아래에 위치되고, 상기 시스템은 각각의 선형 펌프의 상기 입구 통로가 연결되는 상기 입구 탱크 위에 배치된 매니폴드를 포함하는 것을 특징으로 하는, 방법.
  19. 제11항에 있어서,
    상기 극저온 연료는 -150℃ 아래의 온도로 저장되는 액체 천연 가스이고, 상기 밀봉된 하우징은 저장된 상기 액체 천연 가스와 동일한 내부 압력을 유지하는 것을 특징으로 하는, 방법.
  20. 제11항에 있어서,
    각각의 선형 작동형 구동 시스템은 분당 120 사이클의 최대 동작 속력으로 동작 가능하고, 분당 1 사이클의 출력 속력까지 낮추어서 동작될 수 있는 것을 특징으로 하는, 방법.
  21. 제11항에 있어서,
    각각의 선형 펌프의 상기 동력 단부 구동 시스템은 전기 모터에 의해 구동되는 전기-기계 액추에이터를 이용하여 독립적으로 제어 가능하고, 상기 모터의 토크와 속력은 모터 구동 컨트롤러에 의해 제어되고, 상기 액추에이터의 위치는 전자 회전 정류자(commutator)를 통해 모니터링된 상기 모터의 회전 위치 및 회전 수를 통해 제어되고, 상기 컨트롤러는 상기 모터의 회전 수를 계수하기 위하여 상기 정류자로부터의 출력을 이용하고, 그 다음, 개별 펌프들의 조직화된 작동이 펄스가 없는 출력 프로파일을 생성하도록, 상기 전기-기계 액추에이터의 움직임의 위치, 속도 및 가속도 성분을 제어할 수 있는 폐쇄 루프 제어 시스템을 형성하기 위하여 상기 액추에이터의 축방향 위치를 계산하는 것을 특징으로 하는, 방법.
  22. 제11항에 있어서,
    각각의 선형 펌프의 상기 동력 단부 구동 시스템은 전기 모터를 이용하여 독립적으로 제어 가능하고, 상기 선형 펌프의 각각은, 중단되지 않고 펄스가 없는 압력 프로파일을 제공하도록 독립적으로 시동 및 정지되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  23. 제1항에 있어서,
    각각의 선형 작동형 구동 시스템은 분당 120 사이클의 최대 동작 속력으로 동작 가능하고, 분당 1 사이클까지 낮추어서 동작될 수 있는 것을 특징으로 하는, 시스템.
  24. 제1항에 있어서,
    각각의 펌프의 상기 동력 단부 구동 시스템은 전기 모터에 의해 구동되는 전기-기계 액추에이터를 이용하여 독립적으로 제어 가능하고, 상기 모터의 토크와 속력은 모터 구동 컨트롤러에 의해 제어되고, 상기 액추에이터의 위치는 전자 회전 정류자(commutator)를 통해 모니터링된 상기 모터의 회전 위치 및 회전 수를 통해 제어되고, 상기 컨트롤러는 상기 모터의 회전 수를 계수하기 위하여 상기 정류자로부터의 출력을 이용하고, 그 다음, 개별 펌프들의 조직화된 작동이 펄스가 없는 출력 프로파일을 생성하도록, 상기 전기-기계 액추에이터의 움직임의 위치, 속도 및 가속도 성분을 제어할 수 있는 폐쇄 루프 제어 시스템을 형성하기 위하여 상기 액추에이터의 축방향 위치를 계산하는 것을 특징으로 하는, 시스템.
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