CN103649458A - 扩散器隆起部叶片轮廓 - Google Patents

Abstract

电动潜水泵(ESP)组件，其利用扩散器增加泵的效率和泵扬程，扩散器包括扩散器叶片，其低压面的长度大于叶片高压面的长度。扩散器叶片包括位于叶片下游端的前缘和位于叶片上游端的后缘。弯曲的高压面在前缘和后缘之间延伸。弯曲的低压面在前缘和后缘之间延伸并与高压面相对。低压面上形成有隆起部，以增加低压面的长度，使得沿着低压面流动的流体大致为层流，从而增加泵的效率和泵扬程。

Description

扩散器隆起部叶片轮廓

本申请要求由Song于2011年5月13日申请、名称为“扩散器隆起部叶片轮廓”的美国临时申请No.61/485,952的优先权和权益，，该申请引入本文作为参考。

技术领域

本发明总体来讲涉及一种泵，尤其是涉及用于在电动潜水泵运行期间形成通过扩散器的更偏向层流流体流型的泵扩散器。

背景技术

井可以使用例如电动潜水泵(ESP)的人工提升系统将井流体提升至地面。当使用电动潜水泵时，电动潜水泵可以通过将该电动潜水泵连接至管柱的井下端来配置，然后该电动潜水泵在管柱端部上被下送到井内。电动潜水泵可通过任何合适的方式连接到管柱。在某些实例中，电动潜水泵通过螺纹连接部连接至管柱，使得电动潜水泵的井上端或排出部螺纹连接到管柱的井下端上。

电动潜水泵通常包括泵部分和马达部分。通常，马达部分位于泵部分下面的井下，可旋转轴连接马达和泵。可旋转轴通常为一个或多个在操作上联接在一起的轴。马达转动该可旋转轴，该可旋转轴依次转动泵内的部件使流体通过开采管柱提升至地面。电动潜水泵组组件还可以包括一个或多个在马达和泵之间联接至轴的密封部分。在某些实施例中，密封部分将马达轴连接至泵输入轴。某些电动潜水泵组件包括一个或多个气体分离器。气体分离器在泵入口处与轴联接，并在流体进入泵之前将气体从井眼流体中分离。

泵部分包括一叠叶轮和扩散器。叶轮和扩散器交替地成叠布置，使得离开叶轮的流体将流入相邻的扩散器，以此类推。通常，扩散器将流体由泵的径向向外位置朝所述可旋转轴向回引导，同时叶轮使流体从接近所述可旋转轴的区域加速至泵的径向向外位置。每一个叶轮和扩散器可以称作泵的一级。所述可旋转轴与叶轮相联，从而在不转动的扩散器内转动叶轮。以此方式，所述级可以对流体加压，以将流体提升穿过管柱至地面。

通常，叶轮通过将流体从接近旋转轴的位置径向向外加速至接近泵壳的区域。在所述接近泵壳的区域，流体被引导到扩散器中，该扩散器将流体向回导向旋转轴。扩散器利用多个叶片完成该过程，叶片具有接近泵壳的前缘和接近旋转轴的后缘。下一泵级的叶轮随后如上所述地加速流体以进一步对流体加压，并继续提升过程。扩散器的每一个叶片都可具有高压面和低压面，流体通常主要沿着低压面流动。由于流体沿着低压面流动，其可从低压面分离，从而造成紊流。紊流降低下一泵级中叶轮加速流体的能力，从而降低泵的效率和泵的总扬程。现代泵试图通过具有更长的轴向长度以允许流体从径向外侧位置横穿到径向内侧位置来减少流体从扩散器叶片的分离。更长的轴向长度允许进行逐渐的流体过渡。尽管如此，在现代泵中，在油和气环境中，可能没有足够的空间在电动潜水泵中容纳长扩散器。因此，需要具有与现有技术扩散器相比经历了减少了的流动分离的叶片的扩散器。

发明内容

利用本发明优选的实施例，这些和其他问题通常能解决或规避，并通常能实现技术优势，本发明优选的实施例提供了一种电动潜水泵的扩散器，该扩散器具有在该扩散器上形成的隆起部，和一种增加泵效率和泵扬程的方法。

根据本发明的一个实施例，公开了一种电动潜水泵(ESP)组件。电动潜水泵包括：用于使流体运动的叶轮；与潜水泵联接的马达，所述马达可使泵叶轮在泵中可变地旋转；和在泵中位于叶轮下游的扩散器，所述扩散器将在流体从扩散器的分离最小的情况下使流体在泵中从所述叶轮直接朝旋转轴运动。扩散器包括截头圆锥体，其具有用于使旋转轴通过的中心孔和形成在截头圆锥体外表面上的多个叶片。每个叶片具有叶片下游端处的前缘和叶片上游端处的后缘。弯曲的高压面在前缘和后缘之间延伸。弯曲的低压面在前缘和后缘之间延伸并与所述高压面相对。低压面的长度大于高压面的长度，使得沿着低压面流动的流体大致为层流。

根据本发明的另一实施例，公开了一种电动潜水泵(ESP)组件。电动潜水泵包括：用于使流体运动的叶轮；与潜水泵联接的马达，所述马达可使泵叶轮在泵中可变地旋转；和在泵中位于叶轮下游的扩散器，所述扩散器将在使流体从扩散器的分离最小的情况下使流体在泵中从所述叶轮直接朝向旋转轴运动。扩散器包括截头圆锥体，其具有用于使旋转轴通过的中心孔和形成在截头圆锥体外表面上的多个叶片。每个叶片具有叶片下游端处的前缘和叶片上游端处的后缘。弯曲的高压面在前缘和后缘之间延伸。弯曲的低压面在前缘和后缘之间延伸并与所述高压面相对。低压面上形成有隆起部。每个叶片的宽度从前缘向隆起部增加并从隆起部向后缘降低，使得在低压面上形成宽度的增加和减少，以使低压面的长度从前缘到后缘增加，从而沿着低压面流动的流体流动大致为层流。

再根据本发明的又一实施例，公开了一种用于提高电动潜水泵(ESP)系统的泵效率和泵送扬程的方法。该方法提供了一种具有泵部分和马达部分的电动潜水泵，泵部分中定位有用于使流体运动的叶轮，叶轮在泵部分中与旋转轴键连接。该方法还将扩散器定位在在叶轮的下游，使得扩散器将使从叶轮排出的流体直接流向泵部分中的旋转轴。该方法将马达部分机械地联接到泵部分，使得马达部分可使泵中的叶轮可变地旋转。叶轮的旋转使流题从靠近旋转轴的区域加速，并在靠近扩散器叶片前缘处排出流体。该方法形成扩散器，使得扩散器叶片具有比叶片的高压面的长度更长的低压面，高压面与低压面相对。

公开开的实施例提供了一种流体从扩散器叶片的分离被降低了的电动潜水泵。在扩散器的叶片中包括隆起部增加了叶片的长度，而不增加扩散器的轴向长度。这导致在流体流过扩散器并进入下游叶轮中时流体的紊流度降低。结果，提高了泵效率和泵送扬程。另外，公开的实施例提供了一种流体从叶轮叶片的分离被降低了的电动潜水泵。同样，这导致了在流体从叶轮流道下游扩散器中时流体的紊流度降低。结果，提高了泵效率和泵送扬程。

附图说明

因此，在通过参照本发明的实施例可得到的方式中，可得到并可在上文简要总结的本发明的更详细更具体的描述中理解本发明的特征、优点和目的以及将变得显而易见的其它方面，这些实施例在附图中示出，这些附图形成本说明书的一部分。应当注意，尽管如此，附图仅示出了本发明的优选实施例，因此不应认为限制了其范围，因为本发明可以容许其它等效的实施例。

图1为与开采管柱串联并悬置在套管柱中的电动潜水泵的示意图。

图2为根据本发明实施例的扩散器的透视图。

图3为从相反侧所示的图2的扩散器的透视图。

图4为用于图2所示扩散器或叶轮的叶片的截面图。

图5为用于扩散器或叶轮的替代性叶片的截面图。

图6为用于扩散器或叶轮的替代性叶片的截面图。

具体实施方式

现在将参考附图在后文对本发明进行更全面的说明，所述附图示出了本发明的实施例。然而，本发明可以以许多不同形式实现，并且不应被解释为限于比处阐明的实施例。相反，提供这些实施例使得本公开将是彻底和完整的，并且将本发明的范围充分传递给本领域的技术人员。相同的标记始终表示相同的元件，并且首标(如果使用的话)在替代性的实施例中表示相似的元件。

在以下的讨论中，阐述了许多具体细节以帮助全面理解本发明。然而，很明显的是，对于本领域的技术人员来说，本发明可以在没有这些具体细节的情况下实施。另外，对于大多数部分而言，涉及电动潜水泵操作、结构、使用等的细节都已经被省略了，因为这些细节不被认为是获得完整的理解本发明所必须的，并且被认为是相关领域的技术人员的能力范围之内的。

本发明的井下组件的示例性实施例被用于油和气井中以生产大量的井流体。如图1所示，井下组件11具有电动潜水泵13(“ESP”)，该电动潜水泵具有多级叶轮25和扩散器27。电动潜水泵13是由井下马达15驱动，所述井下马达是大型三相交流马达。马达15通过电缆17从电源(末示出)接收电力。马达15填充有绝缘润滑剂。密封部分19将马达15与电动潜水泵13分离，以便使马达内润滑油的内部压力与井道的内部压力相等。可以包括其它的组件，例如，气体分离器、砂分离器、压力和温度测量模块。大型电动潜水泵组件可超过100英尺的长度。电动潜水泵13的上端联接到开采管柱21。

旋转轴23可从马达15向上延伸穿过密封部分19并穿过电动潜水泵13。马达15可使旋转轴23旋转，继而，使电动潜水泵13内的叶轮25旋转。本领域的技术人员将能理解，旋转轴23可包括多个轴，所述多个轴被构造为响应相邻的上游联接轴的旋转而旋转。叶轮25将通常操作为提升电动潜水泵13内的流体，并使流体向上运动至开采管柱21。叶轮25通过将流体引到每个叶轮25的靠近轴23的中心中并使流体径向向外加速来执行该功能。通常，通过每个叶轮25加速的流体随后流入叶轮25轴向上方的扩散器27内。在那里，流体从径向外侧位置被引导到靠近轴23的径向内侧位置，流体在该径向内侧位置被引导到下一叶轮25的中心中。

参照图2和图3，扩散器27通常为截头圆锥体，其具有旋转轴23可以穿过的中心孔29。中心孔29可被密封到旋转轴23但不与该旋转轴一起旋转，以防止流体在旋转轴23和扩散器27之间通过。扩散器27的下游端31包括截头圆锥体的较窄端，上游端33包括截头圆锥体的较宽端。在图示的实施例中，扩散器27的外表面从上游端33向下游延伸。然后，扩散器27的外表面在向下游弯曲到下游端31之前先向内弯曲，以使扩散器27的外表面大致呈钟形。

扩散器27包括形成在扩散器27外表面上的多个叶片35。每一叶片35具有前缘37、后缘39、高压面41和低压面43。在图示的实施例中，前缘37和后缘39处的宽度从高压表面41到低压表面43是基本相同的。然而，如图4所示，叶片35在高压面41和低压面43之间的宽度从前缘37到后缘39是变化的。低压面43可以是凸曲面，高压面41为凹曲面。本领域的技术人员将意识到，外壳或壳体装在叶片上以封闭每个流道。这里为了简洁未示出该壳体。

参照图4，高压面41和低压面43在前缘37和后缘39之间弯曲。靠近低压面43流动的流动路径47长于靠近高压面41流动的流动路径49。这通过在每个叶片35上包含隆起部45而实现。隆起部45可以是叶片35的一部分，所述隆起部具有比叶片35在前缘37和后缘39处的宽度更大的宽度51。叶片35的宽度将从前缘37至隆起部45的基部53逐渐变大。在基部53，叶片35的宽度从基部53处的宽度55增加到宽度51。叶片35的宽度从宽度55增至宽度51的增加比率大于叶片35的宽度从前缘37增至宽度55的增加比率。在一个实施例中，宽度51可以是宽度55的2到4倍。基部53与低压面43的、流体路径47可能从低压面43分离的区域相对应。通过增加叶片35在隆起部45处的宽度，低压面43更紧密地匹配流体路径47。因此，当沿流体路径47运动的流体的动量趋于克服保持流体与低压面43接触的摩擦力时，用以跟踪预测流动路径的叶片35宽度增加使得流体路径47保持附着于低压面43。从宽度51起，隆起部45的宽度将以宽度从宽度55增到宽度51的比率相同的比率从宽度51减小到后缘39。在图4所示的实施例中，低压面43在前缘37和基部53之间可具有半径44，在隆起部45具有半径46。本领域的技术人员将意识到，半径44可以大于与半径46，以使隆起部45的曲率大于前缘37和基部53之间的低压面43的曲率。高压面41在前缘37和后缘39之间可具有半径48。本领域的技术人员将意识到，高压面41可以具有带有多于一个半径48的复合曲率。

如上所述，隆起部45从低压面43突出。低压面43以光滑渐变的方式历经宽度上的变化，这使得前缘37、隆起部45和后缘39之间的边缘或突然的突起最小化。在图示的实施例中，隆起部45被设置为使得宽度51靠近后缘39。这种布置符合沿低压面43的期望的流体边界层，使得宽度51符合沿低压面43的期望的层流到湍流的过渡位置。以这种方式，沿着低压面43的流体流动将以降低的速度从低压面43分离，从而减少进入下游叶轮25的流动的紊流度。这增加了电动潜水泵13的效率和泵送扬程。在一实施例中，宽度51可以位于前缘37和后缘39之间距后缘39的距离为低压面43长度的25％至40％的位置处。

隆起部45从高压表面41到低压表面43的宽度51可以根据其中设置有扩散器27的特定的电动潜水泵而变化。隆起部45的位置也可以在前缘37和后缘39之间变化。优选地，隆起部45将定位成增加低压面43的长度，并且使对沿低压面43的流动路径47的破坏最小。通常，这将对应隆起部45沿低压面43靠近后缘39的位置。

如图5和图6中所示，隆起部45可沿低压面43定位在其它位置。在图5所示的实施例中，叶片35′包括定位在前缘37’和后缘39’之间的大致中间的隆起部45′。如图所示，这使宽度51′位于大致在前缘37’和后缘39′之间的大致中间。叶片35′将包括如上述图4所示叶片35的元件及工作方式。在图6所示的实施例中，叶片35”包括靠近前缘37”定位的隆起部45”。在一实施例中，宽度51”可以位于前缘37”和后缘39”之间距前缘37”的距离为低压面43”的长度的25％至40％的位置。叶片35”将包括上述图4所示叶片35的元件及工作方式。

在另一种实施方案中，隆起部45也可以设置在叶轮25上。隆起部将形成在叶轮25每个叶片的低压侧上。如上面关于扩散器27所述，叶轮25的隆起部将形成为增加叶轮25每个叶片高压面和叶轮25每个叶片低压面之间的宽度。与扩散器27类似，叶轮25每个叶片低压面平滑以减少运动流体与叶轮25各个叶片低压面分离。结果，这将降低紊流度。流过叶轮25的紊流度的降低将增加电动潜水泵13的总效率，并增加电动潜水泵13的泵送扬程。本领域的技术人员将意识到，图4-图6所示的叶片35可被认为是扩散器的叶片或叶轮的叶片。

因此，所公开的实施例具有很多优点。例如，所公开的实施例提供了一种流体从扩散器叶片的分离降低了的电动潜水泵。通常，扩散器通过具有允许流体从径向外侧位置横向流动到径向内侧位置的更长的轴向长度而实现了降低分离。更长的轴向长度允许逐渐的流体过渡。然而，在现代泵中，在油和气环境下，在电动潜水泵内没有足够的空间容纳长扩散器。扩散器叶片中包括隆起部通过增加叶片的长度而不增加扩散器的轴向长度克服了这一长期存在的问题。这使得流体流过扩散器并进入下游叶轮时流体紊流度降低。结果，泵效率和泵送扬程提高。另外，公开的实施例提供了一种流体从叶轮叶片的分离降低了的电动潜水泵。同样，这使得流体从叶轮流道下游扩散器中时流体紊流度降低。结果，泵效率和泵送扬程提高。

可以理解的是，本发明可以采取许多形式和实施方式。因此，可以在不背离本发明的精神或范围下，对上述内容进行多种变形。通过参照特定的优选实施例，具有这样描述的本发明，应当注意，公开的实施例是说明性的而不是限制性的，并且在上述公开内容中可以想到大量的变形、修改、改变和替代，在某些情况下，可以采用本发明的一些特征而不相应地使用其它特征。许多这样的变形和修改可以由本领域技术人员基于优选实施例的前述说明的叙述认为是显而易见的和可获得的。因此，恰当的是，所附权利要求书应做宽泛理解，并在某种程度上与本发明的范围一致。

Claims (20)

1.一种电动潜水泵(ESP)组件，包括：

马达；

泵，所述泵由马达驱动并具有多个级，每一级包括：

用于使流体运动的叶轮；

所述叶轮下游的扩散器；

扩散器和叶轮均具有形成在外表面上的多个叶片；

至少某些叶片包括：

位于叶片下游端的前缘；

位于叶片上游端的后缘

弯曲的高压面，其在前缘和后缘之间延伸；以及

弯曲的低压面，其在前缘和后缘之间延伸并与所述高压面相对，所述低压面具有比高压面长度更大的长度，使得沿低压面流动的流体基本上呈层流。

2.如权利要求1所述的电动潜水泵，还包括形成在低压面上的隆起部，其中，每个叶片的宽度从前缘到隆起部增加并从隆起部到后缘降低，使得低压面上存在宽度的增加和降低，以增加低压面从前缘到后缘的长度。

3.如权利要求2所述的电动潜水泵，其中，隆起部的最大宽度位于前缘和后缘之间的大约中间。

4.如权利要求2所述的电动潜水泵，其中，与到后缘相比，隆起部的最大宽度位于更靠近前缘处。

5.如权利要求2所述的电动潜水泵，其中，与到前缘相比，隆起部的最大宽度位于更靠近后缘处。

6.如权利要求1所述的电动潜水泵，其中，所述低压面还包括基部，所述基部靠近前缘定位在低压面上，叶片宽度在前缘和基部之间以第一比率增加，叶片宽度在基部和叶片的最大宽度之间以第二比率增加。

7.如权利要求6所述的电动潜水泵，其中，叶片的宽度在宽度上从最大宽度到后缘以第二比率降低。

8.如权利要求6所述的电动潜水泵，其中，所述基部位于靠近流体从叶片的低压面分离的预期位置处。

9.如权利要求1所述的电动潜水泵，其中，至少某些叶片位于扩散器上。

10.如权利要求1所述的电动潜水泵，其中，至少某些叶片位于叶轮上。

11.一种电动潜水泵(ESP)组件，包括：

泵，其具有多个用于使流体运动的叶轮；

马达，其与潜水泵联接以使泵中的叶轮旋转；

泵中的多个扩散器，每个扩散器均位于其中一个叶轮的下游；

多个扩散器中的每一个均包括截头圆锥形体，所述截头圆锥形体具有用于使旋转轴通过的中心孔和形成在截头圆锥形体外表面上的多个叶片；

多个叶片中的每个叶片均包括：

位于叶片下游端的前缘；

位于叶片上游端的后缘；

弯曲的高压面，其在前缘和后缘之间延伸；以及

弯曲的低压面，其在前缘和，后缘之间延伸并与所述高压面相对，低压面上形成有隆起部，以及

其中，每个叶片的宽度从前缘到隆起部增加并从隆起部到后缘降低，使得在低压面上存在宽度的增加和降低。

12.如权利要求11所述的电动潜水泵，其中，隆起部的最大宽度位于前缘和后缘之间的大约中间。

13.如权利要求11所述的电动潜水泵，其中，隆起部的最大宽度位于靠近前缘处。

14.如权利要求11所述的电动潜水泵，其中，与到前缘相比，隆起部的最大宽度位于更靠近后缘处。

15.如权利要求11所述的电动潜水泵，其中，低压面还包括基部，所述基部靠近前缘定位在低压面上，叶片宽度在前缘和基部之间以第一比率增加，叶片宽度在基部和叶片的最大宽度之间以第二比率增加。

16.如权利要求15所述的电动潜水泵，其中，叶片宽度在宽度上从最大宽度到后缘以第二比率降低。

17.如权利要求15所述的电动潜水泵，其中，基部位于靠近流体从叶片的低压面分离的预期位置。

18.一种电动潜水泵(ESP)组件，包括：

马达；

泵，所述泵由马达驱动并具有多个级，每一级包括：

用于使流体运动的叶轮；

所述叶轮下游的扩散器；

扩散器和叶轮均具有形成在外表面上的多个叶片；

至少某些叶片包括：

在叶片下游端的前缘；

在叶片上游端的后缘；

弯曲的高压面，其在前缘和后缘之间延伸；以及

弯曲的低压面，其在前缘和后缘之间延伸并与所述高压面相对，所述低压面具有两个曲率半径，一个半径至少为另一半径的二至四倍，使得沿低压面流动的流体大致为层流。

19.如权利要求18所述的电动潜水泵，其中，所述低压面还包括基部，所述基部靠近前缘定位在低压面上，叶片宽度沿着更大曲率半径在前缘和基部之间以第一比率增加，并且叶片宽度沿着另一曲率半径在基部和叶片的最大宽度之间以第二比李增加。

20.如权利要求19所述的电动潜水泵，其中，叶片的宽度在宽度上沿着另一曲率半径从最大宽度到后缘以第二比率降低。

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