CN103189598B - 轮廓减小的耐磨泵推力支承件 - Google Patents

Abstract

一种离心泵，其具有带孔的固定扩散器。推力支承件压装到扩散器孔中，该推力支承件具有弯曲的内部结构。具有弯曲外部结构的推力镜板被推力支承件内部结构相应地完全接收。推力镜板固定到轴上，通过推力支承件将推力从旋转的叶轮传递给扩散器。推力支承件的弯曲表面可处理轴向和径向推力，而不需多个推力支承件。该推力支承件的弯曲表面的表面积增加，从而也能处理更大的载荷。

Description

轮廓减小的耐磨泵推力支承件

技术领域

本发明总体上涉及电潜井泵，尤其涉及用于离心泵的推力支承件。

背景技术

离心井泵通常用于从油井泵吸油和水。这类泵具有多级，每级具有固定的扩散器和旋转叶轮。当流体向上流动时，旋转叶轮施加向下的推力。并且，特别在启动期间以及当流体流不均匀时，叶轮会产生向上的推力。在普通泵的设计结构中，叶轮自由地在轴上浮动，这样，每个叶轮将向下推力传递给一个扩散器。推力垫圈、套筒或支承件位于每个叶轮的一部分和上游扩散器之间以接收向下推力。另一推力垫圈传递向上推力。

一些井在生产油和气时，还会产出磨蚀材料（如，沙）。磨蚀材料会磨损泵元件，特别是在传递向下推力和向上推力的区域。在这些泵中可使用碳化钨推力支承件和支承套筒以及特定形状的元件，以减小磨损。这些部件有许多设计结构，但是，需要进行改进。

发明内容

本发明的离心泵级具有固定的扩散器，扩散器具有孔。推力支承件具有管状部分，管状部分插入扩散器的孔中。大体上为圆筒形的基部或台肩径向朝外延伸，并抵靠形成于扩散器孔中的支撑面，从而将向下推力从上游叶轮传递给扩散器。另外，锥形台肩从外部台肩延伸且抵靠形成于扩散器上的相应锥形支撑面，从而将推力从叶轮径向地传递给扩散器。

推力镜板（thrust runner）能够旋转地接合推力支承件下游端上的弯曲内表面，从而通过套筒将向下的轴向推力从下游叶轮传递给扩散器，该套筒接触叶轮和推力镜板。也可将推力镜板和推力支承件整体看作为支承件。推力镜板具有弯曲的上游端，该弯曲的上游端与推力支承件的内表面相适配，从而上游端的表面积比下游端要大。推力镜板的弯曲上游端将推力径向地传递给支承件。另外，推力支承件的弯曲内表面和推力镜板的相应弯曲上游端之间的表面积更大，从而可处理更大的载荷。推力支承件、套筒和推力支承件优选由坚固的耐磨材料（如碳化钨）制成。

附图说明

图1是根据本发明的泵的示意性正视图，示出泵位于井内；

图2是根据本发明构造的泵级的截面图；

图3是图2中的泵级的推力支承件和推力镜板的透视图，图中示出推力支承件和推力镜板从泵上拆卸时的状态；

图4是图2中的泵级的推力镜板的侧视图，图中示出推力镜板从泵上拆卸时的状态；

图5是图2中的泵级的推力支承件和推力镜板的截面透视图，图中示出推力支承件和推力镜板从泵上拆卸时的状态；

图6是图2中的推力镜板的顶视图；

图7是根据本发明构造而成的泵级的另一实施例的截面图；

图8是根据本发明构造而成的泵级的另一实施例的截面图。

具体实施方式

参照图1，示出了位于井中的泵组件，该井中具有套管11。套管11中的射孔13可让井流体流入套管11内。示出的电潜泵（ESP）15悬置在井中的一串生产油管17上。泵15具有入口19，用于吸入井流体，然后将井流体泵入生产油管17中到达地面。可供选择地，在某些情况下，泵15将井流体排放到位于封隔器（未示出）上方的套管11内。

泵15具有连接到其下端上的密封部分21。电机23连接到密封部分21的下端。密封部分21减小电机23内的润滑剂压力和井内静压之间的压差。电力电缆24从地面向下延伸到电机23以供应动力。

参照图2，示出了该实施例中的泵15（图1）的一级。但是，泵15是包括多级的多级离心泵。每级具有扩散器27和上游叶轮28。扩散器27将井流体排放到下游叶轮29中。每个叶轮28、29旋转，具有引导井流体从下端入口向上和朝外流动的通道30。在圆柱形壳体25内，一个扩散器27叠置在另一个扩散器27的顶端上。扩散器27相对于壳体25不旋转。每个扩散器27具有多条通道31，通道31从下端或上游入口向上端或下游出口延伸。与通道31的出口和泵15的纵轴线之间的径向距离相比，该通道的入口与所述泵的纵轴线之间的径向距离更大。在该实施例中，这些泵级是混流式，即，通道30、31径向并轴向延伸。本发明也可应用到径流式场合，即，泵级的通道主要是径向的。

扩散器27具有轴向孔，该扩散器具有下部部分33a、朝上的台肩或支撑面33b、锥形台肩或支撑面33c、以及上部部分33d。文中仅为了方便使用术语“上”和“下”，而没有限制意义。下部部分33a的直径最小，锥形台肩33c径向朝外凹进一定量，该凹进量由朝上的台肩33b界定。锥形台肩3c径向朝上倾斜以接触上部部分33d；上部部分33d为圆筒形，其孔径最大。在该实施例中，下部部分33a的长度比朝上的台肩33b、锥形台肩33c或上部分33d均要大。上述的多个部分33b、33c和33d形成基本上为凹形的结构。

继续参照图2，在该实施例中，轴35可旋转地贯穿扩散器的孔部分33a、33b、33c和33d以旋转叶轮28、29。推力支承基座37例如通过紧配合或其他方式不可旋转地安装在扩散器的孔部分33b、33c和33d中。推力支承基座37大体上为碗状构件，其上游侧具有基本上为圆筒形底部或台肩42，台肩42径向朝外延伸。底部台肩42至少局部承压在朝上的台肩33b（该朝上的台肩33b形成在扩散器27的孔中），以将推力从上游叶轮29向下传递给扩散器27。另外，推力支承基座37上的锥形外部台肩45从底部台肩42向上延伸，抵靠在形成于扩散器27上的相应锥形支撑台肩33c上，从而将推力从下游叶轮29传递给扩散器27。底部台肩42的外径小于孔的上部部分33d的外径，从而界定了推力支承基座37的锥形台肩45的下端。锥形台肩45的上端与推力支承基座37上的圆筒形表面相连接。该圆筒形表面与扩散器27中的表面33d配合。从而，推力支承基座37的下侧大体上为凸状，从而与扩散器的上侧部分33b、33c和33d相适配。尽管推力支承基座37的下侧通常为凸状且扩散器28的适配上侧基本上为凹形，但是，可以采用其他形状。推力支承基座37合适地粘结到扩散器28上。

推力支承基座37的上端或下游侧43终止处基本上与通道31的出口齐平。大体上为凹形的推力面41形成在推力支承基座37的下游或上侧上，其弯曲部分从推力支承基座37的内径向推力支承基座37的下游端部处的边缘43延伸。凹形推力面41的形状类似于推力支承基座37的下侧部分42、45，从而使推力支承基座37的厚度基本上均匀一致。在该实施例中，凹形推力面41是球形的一部分。

在该实施例中，推力镜板57具有凸状上游端或凸状下端48，该凸状下端48与推力支承基座37的相应凹形推力面41配合并能够旋转地与其接合，如图3所示。推力镜板57通过套筒51将轴向推力从下游叶轮29向下传递给扩散器27，套筒51与叶轮29和推力镜板57均接触。套筒51具有圆筒形的平坦下端59，该下端与推力镜板57的下游侧59接触。

邻近的下游叶轮29的向下延伸的叶轮轮毂65或隔离件（如果使用隔离件的情况下，该隔离件未示出）接触套筒51的上端。邻近的上游叶轮28具有向上延伸的轮毂67，该轮毂装配在由下部孔部分33a和推力支承基座37的一部分界定的环形空间内。轮毂67的上端不接触推力支承基座的底部台肩42。套筒51和推力镜板57被键合到轴35上以使套筒51和推力镜板57与轴35一起旋转。套筒51和推力镜板57在轴35上自由地轴向移动一段有限距离，该有限距离由下游叶轮29的轴向运动界定。在该实施例中，套筒51的轴向长度大于推力支承基座37的轴向长度。套筒51和推力镜板58能一体地相互连接在一起。

推力镜板57的凸状下端48的表面和推力支承基座37的凹形推力面41提供的表面面积比平坦表面要大，能处理更大的轴向载荷。如图5所示，由于推力镜板57和推力支承基座37的相互配合的表面的凹形/凸状弯曲部分的作用，传递给推力支承基座37的向下推力具有朝外或径向分量。推力镜板57的处于上游侧的凸状下端48的表面面积基本上等于推力支承基座37的凹形推力面41的表面面积。如图3和4所示，盘旋形槽或螺旋槽55形成在推力镜板57的凸状下端48上。螺旋槽55便于将润滑剂引入推力镜板57和推力支承基座37之间。螺旋槽55可相互平行并从推力镜板57的下端向上端弯曲。可供选择地，螺旋槽55能形成在推力支承基座37的凹面41上。在该实施例中，推力镜板57的内部键槽63（如5和6）接收轴35上的键（未示出），以引起推力镜板57旋转。

与扩散器27和叶轮28、29的形成材料相比，推力支承基座37、套筒51和推力镜板57可由更坚固、更耐磨的材料制成。在优选实施例中，所述材料包括碳化物（如碳化钨）。碳化钨对磨蚀材料（如沙）的抗磨性比扩散器27和叶轮28、29的材料要更好。

操作中，电机23（图1）使轴35（图2）旋转，进而引起叶轮28、29、推力镜板57和套筒51旋转。叶轮28、29的旋转引起流体流经叶轮通道30和扩散器通道31。正在流动的流体压力通过各泵级增加。叶轮28、29键合到轴35上以进行旋转，但是并不是轴向地固定到轴35上。泵吸作用所产生的向下的轴向推力被施加给各叶轮28、29。下游叶轮29的轮毂65的下端通过旋转的推力镜板57将轴向推力传递给静止的推力支承基座37。轴向推力和径向分量通过扩散器27传递给位于其之下的扩散器（未示出）上，最终传递给泵壳体25的下端。

在某些情况下，会出现向上推力，引起上游叶轮28的轮毂67向上运动至接触扩散器27的下部部分33a上的朝向上游的台肩。该向上推力从扩散器27传递到壳体25中。

如果需要，每级可具有推力支承基座37、推力镜板57和套筒51之一。可供选择地，如图7所示，某些泵级可以是传统式的，不具有上述推力镜板、推力支承件或套筒。隔离套69位于这些传统泵级的叶轮轮毂57和下一泵级的推力套筒51之间，该下一泵级具有上述推力镜板57和推力支承基座37。与前述推力镜板和推力支承基座结构相同的推力镜板57和推力支承基座37安装在一个泵级内。其他推力支承基座80和推力镜板82位于扩散器84内，该扩散器84位于上游推力镜板57和推力支承基座37的下游。两个传统泵级71、73位于推力支承基座80和推力支承基座37之间。泵级71的向下推力经过该级的推力套筒51和隔离件69传递到泵级73。推力通过轮毂67从泵级73传递给推力套筒51、推力镜板57和推力支承基座37，然后传递给相连的扩散器27。这种布置结构提高了ESP15中的推力处理能力。

但是，在图8所示的另一个实施例中，示出了相对布置的推力支承件和推力镜板结构。处理向下推力的上游推力支承基座37和推力镜板57与前述实施例相同，它们将向下推力传递给扩散器27。下游推力支承基座90安装在扩散器94的向下侧部内，向上推力镜板92可旋转地接合推力支承基座90。下游结构与上游结构相同，但是，下游推力支承基座90和推力镜板92的安装方向与上游结构相对，下游结构处理向上推力。相邻叶轮28的轮毂67的上端抵接推力镜板92的下侧以传递向上的推力。因而，该实施例中的所述结构可处理向上推力或向下推力。另外，如果任一推力镜板脱离推力支承件，那么另一个推力镜板仍能处理推力。在图8所示的实施例中，隔离件69传递轮毂67和推力镜板51之间的向下推力和向上推力。

本发明具有许多优点。推力支承件能将推力的轴向和径向分量传递给扩散器。推力支承基座和推力镜板也能为轴提供径向支撑。由于推力面采用弯曲面，因而，推力面的截面面积比平坦面要大得多。由于不需要单独的支承件来处理径向载荷，因而在高度更小的范围内能处理更大的推力。由于部件数量减少，因而，也降低了成本、提高了可靠性。

尽管仅示出本发明的一种结构形式，但是，本领域的普通技术人员应该能明显看出：本发明并不局限于此，在不脱离本发明的范围的情况下，可进行各种改变。

Claims (19)

1.一种离心泵，包括：

可旋转驱动轴；

第一扩散器，其具有孔，所述驱动轴穿过该孔，所述第一扩散器具有围绕该第一扩散器的所述孔的基本上凹形的接收部；

推力支承基座，该推力支承基座具有固定地安装在所述第一扩散器的所述接收部中的基本上为凸状的侧，该推力支承基座具有基本上为凹形的推力面；

推力镜板，其具有与推力支承基座的推力面旋转地接合的基本上为凸状的侧，该推力镜板相对于所述驱动轴能够轴向移动并能够与该驱动轴一起旋转；

第一下游叶轮，其位于所述第一扩散器的下游且由所述驱动轴驱动旋转；以及

推力套筒，其环绕所述驱动轴并能够与该驱动轴一起旋转，该推力套筒在所述第一下游叶轮和所述推力镜板之间延伸，以将向下的推力传递给所述推力支承基座，以及

其中，所述推力套筒、所述推力镜板以及所述推力支承基座是由比所述第一扩散器和所述第一下游叶轮的制作材料更坚固的材料制成的。

2.根据权利要求1的离心泵，其中，所述第一扩散器的接收部包括平坦的台肩、从所述台肩向外延伸的锥形面、以及圆筒形表面，该圆筒形表面连接所述锥形面并从该锥形面延伸。

3.根据权利要求2的离心泵，其中，所述推力支承基座的推力面是球形的。

4.根据权利要求1的离心泵，其中，所述推力套筒、推力镜板和推力支承基座由碳化钨制成。

5.根据权利要求1的离心泵，还包括：

上游叶轮，所述上游叶轮由所述驱动轴旋转驱动而与所述第一扩散器的上游侧相结合，所述驱动轴穿过所述上游叶轮的轮毂；以及

其中，所述推力支承基座的内部与所述上游叶轮的所述轮毂隔开一定间隙。

6.根据权利要求1的离心泵，其中，所述推力镜板具有平坦侧；以及

所述推力套筒的端部抵靠所述推力镜板的所述平坦侧。

7.根据权利要求1的离心泵，其中，所述推力支承基座具有与所述推力面相反的一端，所述一端与所述孔和所述接收部二者的接合部相齐平，且所述一端的内径小于在所述孔与所述接收部二者的接合部处测量的所述第一扩散器中的所述孔的内径。

8.根据权利要求1的离心泵，还包括：

第二下游叶轮，该第二下游叶轮位于所述第一下游叶轮下游并与其隔开；以及

环绕所述驱动轴的隔离套，该隔离套接合第二下游叶轮的轮毂和所述第一下游叶轮的轮毂，该隔离套相对于所述驱动轴能够轴向移动以将向下推力从第二下游叶轮传递给所述第一下游叶轮。

9.根据权利要求1的离心泵，还包括：

处于所述第一扩散器下游的下游扩散器；

向上推力支承基座，其固定安装在该下游扩散器上，该向上推力支承基座具有基本上为凹形的推力面；

向上推力镜板，其具有基本上为凸状的侧，该向上推力镜板的所述基本上为凸状的侧与所述向上推力支承基座的推力面旋转地接合，该向上推力镜板相对于所述驱动轴能够轴向移动并能够与该驱动轴一起旋转，该向上推力镜板将向上推力从所述第一下游叶轮传递给所述下游扩散器，以及

其中，所述向上推力镜板与所述向上推力支承基座由比所述下游扩散器和所述第一下游叶轮更坚固的材料制成。

10.一种离心泵，包括：

可旋转驱动轴；

第一扩散器，其具有孔以及处于所述孔上端处的基本上为凹形的接收部，所述驱动轴穿过该孔；

推力支承基座，其具有与所述第一扩散器的所述接收部相匹配且固定地安装在所述接收部中的基本上为凸状的侧，该推力支承基座具有与所述基本上为凸状的侧相反的基本上为凹形的推力面；

推力镜板，其具有基本上为凸状的下侧，该下侧与推力支承基座的推力面旋转地接合，该推力镜板相对于所述驱动轴能够轴向移动并能够与所述驱动轴一起旋转；

第一叶轮，其靠近所述第一扩散器并位于该第一扩散器上方，该第一叶轮通过所述驱动轴旋转；以及

推力套筒，其环绕所述驱动轴并能够与所述驱动轴一起旋转，该推力套筒在所述第一叶轮和推力镜板之间延伸，以将向下推力传递给所述推力支承基座；

其中，与所述第一扩散器和第一叶轮相比，所述推力套筒、推力镜板和推力支承基座由更坚固、更耐磨的材料制成。

11.根据权利要求10的离心泵，其中，所述推力套筒、推力镜板和推力支承基座由碳化钨制成。

12.根据权利要求10的离心泵，其中，所述接收部包括朝上的平坦台肩、向上并向外延伸的锥形面、以及与所述锥形面相连的圆筒形表面。

13.根据权利要求10的离心泵，其中，所述推力支承基座的下侧与位于该第一扩散器下方的相邻叶轮的轮毂隔开一定间隙。

14.根据权利要求10的离心泵，其中，所述推力镜板具有平坦上侧；以及

所述推力套筒的下端抵靠所述推力镜板的所述平坦上侧。

15.根据权利要求10的离心泵，其中，所述推力支承基座的下端的内径小于在所述孔与所述接收部二者的接合部处测量的所述第一扩散器中的所述孔的内径；以及

所述推力支承基座的下端与所述孔和所述接收部二者的接合部相齐平。

16.根据权利要求10的离心泵，还包括：

第二叶轮，该第二叶轮位于所述第一叶轮之上并与该第一叶轮相邻且隔开；以及

环绕所述驱动轴的隔离套，其接合第二叶轮的轮毂和所述第一叶轮的轮毂，该隔离套相对于所述驱动轴能够轴向移动以将向下推力从所述第二叶轮传递给所述第一叶轮。

17.根据权利要求10的离心泵，还包括：

安装在所述第一扩散器之上的第二扩散器；

向上推力支承基座，其固定安装在第二扩散器的下部部分上，该向上推力支承基座的下侧具有基本上为凹形的推力面；

向上推力镜板，其具有基本上为凸状的上侧，该向上推力镜板的上侧与所述向上推力支承基座的推力面旋转地接合，所述向上推力镜板相对于所述驱动轴能够轴向移动并能够与所述驱动轴一起旋转，该向上推力镜板将向上推力从所述第一叶轮传递给第二扩散器；

与所述第一叶轮和第二扩散器相比，所述向上推力支承基座以及所述向上推力镜板由更坚固的材料制成。

18.一种离心泵，包括：

可旋转驱动轴；

第一扩散器，其具有孔，驱动轴穿过该孔，第一扩散器的上部部分上具有凹形的接收部；

向下推力支承基座，该向下推力支承基座的凸状的侧固定安装在所述接收部中，该向下推力支承基座具有凹形的推力面；

向下推力镜板，其具有基本上为凸状的侧，该基本上为凸状的侧与所述向下推力支承基座的推力面旋转地接合，该向下推力镜板相对于所述驱动轴能够轴向移动并能够与所述驱动轴一起旋转；

第一叶轮，其位于所述第一扩散器上方且由所述驱动轴驱动旋转；

推力套筒，其环绕所述驱动轴并能够与所述驱动轴一起旋转，该推力套筒在第一叶轮和所述向下推力镜板之间延伸以将向下推力传递给所述向下推力支承基座；

第二扩散器，该第二扩散器位于第一扩散器上方并与其隔开；

第二叶轮，该第二叶轮位于第一叶轮上方并与其隔开，该第二叶轮与第二扩散器能够旋转地接合；以及

环绕所述驱动轴的隔离套，其接合第二叶轮的轮毂和第一叶轮的轮毂，该隔离套能够相对于所述驱动轴轴向移动以将向下推力从第二叶轮传递给第一叶轮；以及，

其中，与所述第一扩散器、第二扩散器以及所述第一叶轮和第二叶轮相比，所述推力套筒、向下推力镜板和向下推力支承基座由更坚固的材料制成。

19.根据权利要求18的离心泵，还包括：

安装在第二扩散器上方的第三扩散器；

向上推力支承基座，其固定安装在第三扩散器的下部部分上，该向上推力支承基座具有凹形的推力面，以及；

向上推力镜板，其具有凸状的侧，该向上推力镜板的所述凸状的侧与所述向上推力支承基座的推力面旋转地接合，所述向上推力镜板相对于所述驱动轴能够轴向移动并能够与所述驱动轴一起旋转，该向上推力镜板将向上推力从所述第二叶轮传递给第三扩散器。