CN101240795B - 螺杆泵转子和减小滑流的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于螺杆泵的泵转子，包括轴和设置在该轴的外表面的一部分上的第一组螺纹牙，该第一组螺纹牙中的至少一个螺纹牙包括设置在该螺纹牙端部上的槽，环式密封件设置在槽上，该环式密封件构造成从槽中向外突出并抵靠在螺杆泵的内衬的内表面上，该槽的尺寸设计成，当转子偏斜时允许该环式密封件相对于多个螺纹牙径向移动。

Description

螺杆泵转子和减小滑流的方法

技术领域

本发明总体上涉及一种螺杆泵，更特别地，涉及一种改进的螺杆泵转子和减少螺杆泵中的滑流的方法。

背景技术

众所周知，在石油和天然气的勘探中需要将流体(石油、水、天然气和固体异物)从井口传输至远处的处理和/或储存设备(而不是在井口附近构建新的处理设备)。双螺杆泵在这些井口流体的生产中越来越多地得到使用，通过降低井口出口的压力而获得更高的产量，并且由于在停止生产前允许较低的最终储层压力，因而可从储层得到更大的总开采量。

图1示出了传统的双螺杆泵10。该图仅简单地示出了双螺杆泵的主要部件，在这里不应理解为以任何方式限制本发明公开的内容。如图所示，双螺杆泵10具有两个转子12和14，它们设置在紧配合的壳体或泵壳16中。各转子具有轴18A、18B，在轴的长度的至少一部分上具有一组或多组向外延伸的螺纹牙20。轴18A和18B在两个部分重叠的圆柱形罩壳中轴向运转，该两个部分重叠的圆柱形罩壳总体而言为转子罩壳或内衬19。该两个转子12和14并不相互接触，但它们具有相对并相互缠绕的螺纹牙。泵10通常由马达(未示出)驱动，该马达转动转子12和14。位于其中一个轴上的驱动齿轮22啮合位于另一轴上的第二齿轮，这样当泵的马达转动转子12时，转子14按照同样的速率向相反方向转动。在工作中，包含颗粒物质的井口流体从入口24被抽到泵10中。当转子12和14转动时，螺纹牙20-更确切地说是形成在相邻螺纹牙20之间的转子腔26-沿转子轴18A和18B向出口腔28转移井口流体，出口腔28是位于转子中心的压力最大点，井口流体最终从这里被排出泵10的出口30。转子腔26没有完全密封，但在正常工作条件下，存在于转子12和14之间以及各转子和转子罩壳19之间的正常的间隙空间被充满传输的流体。这些间隙空间中的传输流体的液体部分起到限制相邻腔室之间泵送的流体的泄漏的作用。确实从转子出口侧向入口侧回漏的流体量称为泵的滑流，众所周知滑流会降低泵的容积效率。如图2所示及刚才所说明的那样，泵的滑流(图2中由箭头表示)可以发生在各转子和转子罩壳19之间。正如本领域普通技术人员所知的那样，其他滑流路径包括螺纹顶端和相邻转子之间以及面与面之间的滑流。

正如本领域技术人员所理解的那样，例如在考虑下面的问题时，传统的双螺杆多相泵面临着极大的挑战。首先，假定每个阶段上升固定的压力，则当总压力上升要求增加时，转子长度必须增加，结果导致在施加的压力负荷下转子偏斜加大，由此螺纹在内衬内更加偏心，这使得螺杆转子和泵内衬之间如果没有接触和摩擦则会造成过多的滑流。第二，随着泵的滑流的增加，由滑流捕获的沙粒会导致泵中的侵蚀/磨损增加，特别是在转子顶端会由于称作喷射的现象而造成侵蚀/磨损的增大。这种侵蚀/磨损进一步导致间隙轮廓的恶化，从而导致泵滑流增加。最后，在所传输的流体具有高的气体体积分数的工作期间，离开泵的流体的温度由于压缩中产生的热量而升高，这导致在泵吸的最后阶段由于不同泵部分的不同热膨胀而造成间隙减小，由此可能引起灾难性的卡死(seizure)。

发明内容

因此，本发明希望提供一种泵转子，其能最小化或消除泵的滑流，从而得到具有紧凑转子长度的高差压多相增压泵。而且，在转子边缘和泵的壳体之间具有更好的密封，从而还能确保减小间隙中的固体颗粒的侵蚀/磨损。最后，有能力适应当对气体体积分数大的流体增压时可能产生的热膨胀差异，从而减小灾难性卡死的可能性。

一个或多个上述概括的需求以及其他现有技术中已知的需求由下述螺杆泵的泵转子实现，该泵转子包括：轴；设置在该轴的外表面的一部分上的第一组螺纹牙，该第一组螺纹牙的至少一个螺纹牙包括设置在该螺纹牙端部上的槽；以及设置在该槽上的密封件。

在本发明的另一方面中公开了一种双螺杆泵，其包括：壳体，具有入口和出口；设置在壳体内部的内衬；以及设置在内衬内部的两个转子；各转子具有：轴；设置在轴的外表面的一部分上的一组螺纹牙，第一组螺纹牙的至少一个螺纹牙包括设置在该螺纹牙端部上的槽；以及设置在槽上的环式密封件。

减少螺杆泵中的滑流的方法也属于本发明所公开的实施例的保护范围，该螺杆泵具有：壳体，具有低压入口和高压出口；内衬，设置在该壳体内部；以及转子，设置在该内衬内部，该转子具有轴和设置在轴的外表面的一部分上的第一组螺纹牙，该方法包括：在第一组螺纹牙的至少一个螺纹牙的端部上形成槽；将环式密封件设置在槽上，该环式密封件构造成从槽中向外突出并抵靠在螺杆泵的内衬的内表面上，该槽的尺寸设计成，当转子偏斜时允许该环式密封件相对于该至少一个螺纹牙径向移动，并且该环式密封件构造成减少从高压出口朝向低压入口的滑流。

以上简要的描述阐明了本发明的进一步的特征，以便使下面详细的说明变得更容易理解，并且使本发明对现有技术的贡献得到更好理解。当然，本发明的其他特征将会在下文加以说明，这将是所附权利要求的主题。

关于这方面，在详细解释本发明的几个优选实施例之前，应该理解本发明并不局限于下面的描述和附图中所阐明的部件的构造和布置的细节的应用。本发明可有其他实施例并以其他不同方式应用和执行。而且，也应当理解这里所使用的措词和专业术语只用于描述，不应当认为是限制。

同样，本领域技术人员在所公开的内容的基础上将会很容易地利用上述说明所依据的技术构思来设计执行本发明的几个目的的其他结构、方法和系统。因此，重要的是将权利要求视为包括这些等同构造，这些等同构造并没有脱离本发明的精神和保护范围。

而且，前述摘要的目的是为了能使美国专利和商标局以及公众、特别是科学家、工程师和不熟悉专利或法律术语或措词的本领域从业者能通过大致阅读而快速地确定本申请所公开的技术的特质和本质。因此，摘要既不是限定本发明或申请的范围，该范围只由权利要求限定，也不会以任何方式限制本发明的保护范围。

附图说明

当结合附图一起考虑时，通过参考下面的详细说明，将会容易地更全面理解本发明及许多其附带的优点，其中：

图1示出了传统的双螺杆泵；

图2示出了转子顶端和内衬之间的泵滑流路径；

图3示出了根据本发明实施例的转子的横截面图；

图4示出了图3所示的转子顶端的局部放大图；

图5示出了设置在图3和4的转子上的环式密封件；

图6为相对于安装在转子上的活塞环式密封件而示出根据本发明的转子的螺纹顶端包络面的视图，其中(图6A)转子与内衬对齐，(图6B)转子相对于内衬偏斜；

图7示出了根据本发明的另一实施例的转子的立体图；以及

图8示出了根据本发明的另一实施例的另一转子密封件的横截面图。

具体实施方式

现参考附图说明根据本发明的泵的转子的几个实施例，其中相同的附图标记在几个附图中表示相同或相应的部件。本发明的优点之一是使用转动的级间环或刷式密封件来减小和/或消除泵的滑流，从而在每个阶段提供更高的压力上升，同时适于容纳转子偏移。

图3-图5分别是转子40的横截面图、图3所示螺纹牙的一个顶端的横截面图、以及根据本发明实施例的环式密封件60。在本公开内容中，术语“环式密封件”、“活塞环式密封件”、“刷式密封件”、“级间密封件(inter-stage seal)”、“开口环式密封件”、或“密封件”将交替使用。如图3所示，转子40包括轴42，轴42的外周设置有多个螺纹牙44。在螺纹牙44的顶端46设置有槽48，环式密封件60设置在槽48中。在环式密封件60的一个实施例中，环式密封件60被设计成，在处于安装状态或正常工作状态时，向外弹起而抵靠在泵的内衬51的内表面49上。在工作中，当转子旋转并且逐渐增大的压力的分布跨过泵时，通过如下方式消除和/或减小泵的滑流，即，由于弹性环式密封件60的弹起作用，而且，由于转子40的旋转而产生在环式密封件60上的离心负荷，环式密封件60的外表面50被推靠在泵的内衬51的内表面49上，同时，环式密封件60的侧面52由于环式密封件60的一侧与另一侧的压力差而被推靠在槽48的内表面54上。如图所示，密封件安装在转子上(不是像燃气轮机/蒸汽轮机中的其他地方的传统应用那样将密封件设置在定子上)，从而在双螺杆泵的连续升压阶段之间产生旋转密封。

环式密封件60为螺旋状结构，可以具有覆盖转子40的螺纹牙44的任何特定量的圆周位移的长度。图5示出了覆盖螺纹牙44的完整一圈的环式密封件60。

而且，如图6A和6B所示，槽48和环式密封件60的尺寸被选定为，当转子与泵的内衬对齐(如图6A所示，借助环式密封件60的外缘)和转子相对于内衬偏斜(如图6B)时，环式密封件60的外表面50与泵的内衬51的内表面49之间实现接触。图6A、6B中，示出了螺纹顶端的包络面62，完全偏斜的环式密封件60设置在螺纹牙44的顶端的槽48中。

正如本领域普通技术人员所知的那样，在双螺杆结构的泵中，转子的偏斜量随转子长度的立方变化。同样，每一阶段的压力上升受在转子和周围的内衬之间提供足够间隙的需要限制，因为随着压力上升，转子成比例地偏斜，这将相应地需要更大的圆周间隙以防止任何灾难性的摩擦。现有技术将每个阶段的压力上升限制为大约6-8巴，要达到更高的增压，则需要具有明显更大偏斜量的更长的转子。借助于本发明的环式密封件对泵滑流的减小和/消除，每个阶段的压力上升得到提高，允许设计更为紧凑的转子以满足所需的总压力上升。

这样，根据本发明的泵的转子40将会最小化和/或消除转子和壳体之间的泵滑流，从而得到具有紧凑的转子长度的高差压多相增压泵。而且，转子边缘和泵壳体之间的更好的密封还将确保减轻固体颗粒对转子顶端的侵蚀/磨损，同时当泵送具有高气体体积分数的传输流体时，还可允许热膨胀的不匹配，因此还可以降低灾难性卡死发生的可能性。而且，通过采用可变速驱动和间隙控制逻辑，能增强双螺杆泵在井口流中存在高气体体积分数的段塞流(slug)时的不脱网(ride-through)运行能力。

图7示出了本发明的另一个实施例的转子70。如图所示，当转子70转动时，使用销72将环式密封件60相对于槽48在内侧保持在适当位置，这种销72用作防转约束件。如图所示，环式密封件60通过每圈设置一个(或根据环式密封件的圆周长度而多圈设置一个或不到一圈设置一个)的销72保持在适当位置上。而且，在具有多组螺纹牙44的实施例中，第一组螺纹牙44中设置销72的圆周位置与第二组螺纹牙44中设置销72的圆周位置相对，或以其他优选方式设置销，使得当转子70转动时，确保适当的平衡。在每组螺纹牙上有多个环的实施例中，第一个销设置在环式密封件的第一端，而第二个销设置在环式密封件的第二端。然后紧靠着保持第一环式密封件的第二端的第二销设置第二环式密封件，等等。正如解释的那样，在泵工作期间，轴偏斜并摩擦在活塞环或环式密封件60的侧面上。活塞环的外径(外周)与内衬的膛始终保持接触，从而保持密封。利用环式密封件的外弹效果和/或转子旋转时作用在环上的离心负荷，维持与内衬的膛的接触(不管密封件是否磨损)。

如图8所示，根据本发明的级间密封件的又一变形实施例为安装在螺杆转子OD上的刷式密封件80。如图所示，级间刷式密封件80包括前板82和后板84，将毛簇86保持在前后板之间，毛簇86保持抵靠壳体88，以使从刷的一侧到另一侧的流体通路最小化。

转子/内衬界面的下述热学设计也在本发明的保护范围之内，该热学设计通过使用热膨胀系数比内衬膛低的转子材料而使得双螺杆泵能在湿空气压缩条件下工作。例如，通过使用具有低热膨胀系数的特定转子材料，如不胀钢，使得泵能以最小量的偏斜克服气段塞。在本发明的另一实施例中，通过选择环式密封件60的材料，可以实现更长的平均无故障时间或者说是MTBF，这样允许环式密封件作为牺牲磨损部件，而同时确保额定设计的压力/流量比条件。

在螺杆泵中减小滑流的方法也在本发明实施例的范围内，螺杆泵具有：壳体，具有低压入口和高压出口；内衬，设置在壳体内部；转子，设置在内衬内部，具有轴和设置在轴的外表面的一部分上的第一组螺纹牙。该方法包括如下步骤：在第一组螺纹牙的至少一个螺纹牙的端部形成槽；将环式密封件设置在槽中，该环式密封件构造成从槽中向外突出并抵靠在螺杆泵的内衬的内表面上，该槽的尺寸设计成，当转子偏斜时允许环式密封件相对于第一组螺纹牙的该至少一个螺纹牙径向移动，该环式密封件构造成减少从高压出口朝向低压入口的滑流。

对于上述说明，应当理解为本发明的各部分的最优尺寸关系，包括尺寸的改变、形状函数和工作方式、组装和使用，对本领域普通技术人员来说是容易理解和显而易见的，因此，等同于上述附图和说明书中所描述的任何关系都包括在本发明的权利要求的保护范围之内。

而且，虽然已经在附图中示出了本发明，并在上文中结合当前显见的实际应用和本发明的几个优选实施例，而详尽、具体地对本发明进行了充分的说明，但查阅了本发明的本领域普通技术人员应当理解，可以实施许多变形(例如但并不限于大小、尺寸、结构、形状、各不同部件的比例、参数值、安装布置、材料的使用、以及定向等的改变)而不实质地脱离权利要求所述的主题的示教内容、原理和概念以及优点。因此，所有这种可能的变形都包括在本发明的权利要求的保护范围之中。根据本发明的备选实施例可以对任何过程或方法步骤的顺序或次序进行改变或重新排序。在权利要求中，任何手段加功能的语句意在覆盖本文中所说明的各种结构，即完成所引述的功能的结构不仅是结构等同物，而且也是等同结构。在优选及其它典型实施例的设计、运转条件、和布置方面可以作出替代、变形、改变和省略，而不脱离本发明权利要求的保护范围。所以，本发明的合适的保护范围应当仅由权利要求的最广义解释定义，以包括所有可能的变形和等同物。

Claims (11)

1. 一种用于螺杆泵的泵转子，该泵转子包括：

轴；

设置在该轴的外表面的一部分上的第一组螺纹牙，该第一组螺纹牙的至少一个螺纹牙包括设置在该螺纹牙端部上的槽；

设置在该槽上的第一环式密封件；

所述第一环式密封件构造成与所述轴一起旋转；以及

设置在该第一组螺纹牙的该至少一个螺纹牙的槽中的第一销和第二销，所述第一环式密封件的第一端紧靠着所述第一销设置，并且所述第一环式密封件的第二端紧靠着所述第二销设置。

2. 根据权利要求1所述的泵转子，其中所述第一环式密封件构造成从所述槽向外突出并抵靠在螺杆泵的内衬的内表面上，所述槽的尺寸被设计成，当转子偏斜时，允许所述第一环式密封件相对于所述至少一个螺纹牙径向地移动。

3. 根据权利要求1所述的泵转子，其中所述第一环式密封件和所述第一组螺纹牙是螺旋状的。

4. 根据权利要求1所述的泵转子，还包括：

设置在所述轴的外表面的另一部分上的第二组螺纹牙，该第二组螺纹牙中的至少一个螺纹牙包括设置在该螺纹牙端部上的槽，第一组螺纹牙与第二组螺纹牙分离，第二环式密封件设置在第二组螺纹牙的所述至少一个螺纹牙的槽上；以及

设置在第二组螺纹牙的所述至少一个螺纹牙的槽中的第三销和第四销，第二环式密封件的第一端紧靠着第三销设置，而第二环式密封件的第二端紧靠着第四销设置。

5. 根据权利要求4所述的泵转子，其中第一销及第二销的圆周位置和第三及第四销的圆周位置彼此不同。

6. 根据权利要求1所述的泵转子，其中第一环式密封件是泵转子的牺牲磨损部件。

7. 一种双螺杆泵，包括：

壳体，具有入口和出口；

内衬，设置在该壳体内部；

两个转子，设置在该内衬内部，各转子包括：

轴；

设置在该轴的外表面的一部分上的第一组螺纹牙，该第一组螺纹牙的至少一个螺纹牙包括设置在该螺纹牙端部上的槽；

设置在该槽上的第一环式密封件，该第一环式密封件构造成与所述各自的轴一起旋转；以及

设置在该第一组螺纹牙的该至少一个螺纹牙的槽中的第一销和第二销，所述第一环式密封件的第一端紧靠着所述第一销设置，且所述第一环式密封件的第二端紧靠着所述第二销设置。

8. 根据权利要求7所述的泵，其中各第一环式密封件构造成从所述槽向外突出并抵靠在所述内衬的内表面上，所述槽的尺寸被设计成，当转子偏斜时，允许各第一环式密封件相对于所述第一组螺纹牙的所述至少一个螺纹牙径向地移动。

9. 根据权利要求7所述的泵，其中各第一环式密封件和所述第一组螺纹牙是螺旋状的。

10. 根据权利要求7所述的泵，其中各转子还包括：

设置在所述轴的外表面的另一部分上的第二组螺纹牙，该第二组螺纹牙中的至少一个螺纹牙包括设置在该螺纹牙端部上的槽，第一组螺纹牙与第二组螺纹牙分离，第二环式密封件设置在第二组螺纹牙的所述至少一个螺纹牙的槽上；以及

设置在第二组螺纹牙的所述至少一个螺纹牙的槽中的第三和第四销，第二环式密封件的第一端紧靠着第三销设置，而第二环式密封件的第二端紧靠着第四销设置。

11. 一种减少螺杆泵中的滑流的方法，该螺杆泵具有：壳体，具有低压入口和高压出口；内衬，设置在该壳体内部；以及转子，设置在该内衬内部，该转子具有轴和设置在轴的外表面的一部分上的第一组螺纹牙，该方法包括：

在第一组螺纹牙的各螺纹牙的端部上形成槽；

将第一环式密封件设置在槽上，该第一环式密封件构造成从槽中向外突出并抵靠在螺杆泵的内衬的内表面上，该槽的尺寸设计成，当转子偏斜时允许该第一环式密封件相对于第一组螺纹牙径向地移动，并且该第一环式密封件构造成减少从高压出口朝向低压入口的滑流；

当所述轴旋转时，旋转所述第一环式密封件；以及

通过将第一销和第二销放置在所述槽中而防止所述第一环式密封件相对于所述轴旋转，所述第一环式密封件的第一端紧靠着第一销设置，所述第一环式密封件的第二端紧靠着第二销设置。

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