CN107965473B - 包括具有开口的至少一个叶片的、用于流体压缩装置的扩散器 - Google Patents

Abstract

包括具有开口的至少一个叶片的、用于流体压缩装置的扩散器，该扩散器(2)包括安装在毂上的至少一个叶片(4)。在本发明各实施例中，至少一个开口(5)沿径向设置在扩散器叶片(4)中。藉由本发明的装置，以减少或者去除诸如旋转失速的液压不稳。

Description

包括具有开口的至少一个叶片的、用于流体压缩装置的扩 散器

技术领域

本发明涉及流体压缩或泵送装置的领域，并且本发明更具体地涉及流体压缩或泵送装置的扩散器。

扩散器是压缩或泵送单元的两个部件中的一个。已知的扩散器能够完成双重功能，即一方面整平来自布置在扩散器上游的回转轮的流，从而能够馈送下一压缩级，而另一方面可将流体的动能转化成势能。为了实现此功能，扩散器可包括至少一个或多个叶片，扩散器也被称为叶片组件。扩散器相对于压缩或泵送单元或装置的外壳是固定的。

压缩或泵送单元的另一已知部件是也被称为叶轮的动态轮。这种动态轮能够增加流体能量。动态轮可固定到旋转轴，并且包括至少一个或多个叶片，动态轮也被称为叶轮组件。

已知的压缩或泵送单元可以是包括动态轮和扩散器在内的组件。

背景技术

图1示出已知的

型(法国IFP新能源公司)的多级泵的示例，该多级泵包括至少一级或者多级(图1仅示出一级)，每级包括动态轮1和扩散器2。动态轮固定到毂10。动态轮1可包括多个叶片3，而扩散器2可包括多个叶片4。在此图中，由箭头S示出流的方向。

由于某些压缩单元的几何形状，如

型那样的几何形状，流可在动态轮出口处相对于该单元的旋转轴线形成非常大的角度(示例值可以在60°到70°的量级上)。因此，经过扩散器的流可能在相对较短的轴向距离上经历可达70°的角度变化。因此，这些扩散器的几何形状不允许对来自回转轮的流的有效整平，因而，该流可能以残余角离开扩散器。

在此状况下，高度扩散可能发生在由相继各叶片界定出的通道中，因此可能产生非常大的流再循环区。在示例中，通道应被理解为设置在扩散器的两个相继叶片之间的空间，该通道受到毂的限制并且受到其内布置有该扩散器的外壳的限制。

图2例如示出流动扰动的情况，在此，在扩散器的五个相继通道中出现涡流。此外，再循环的范围从一个通道至另一个通道可能是不同的。图2的示例还示出在扩散器入口处用S标示的流的方向，该流在扩散器出口处的理论方向标示为Sth，而该流在扩散器出口处的实际方向标示为Sre。可以注意到对于该构造来说，流的实际方向并不对应于期望的理论方向。

当流速变得较小时，该流在扩散器的前缘上的入射角度可能发生变化，这会导致边界层分离，而边界层分离效应可能会与存在涡流叠加。这种状况在涡轮机的领域中被称为“旋转失速”。可能出现在叶轮或者在扩散器中的这些扰动可能产生液压不稳，这种液压不稳会以与叶轮(动态轮)的转速不同的速度在各通道之间进行传播。

当例如流速较小(例如，小于名义流速的约0.8倍)或者例如当流速高于名义流速(例如，为名义流速的约1.2倍)时，一旦开始，则旋转失速会产生压力波动，这种压力波动的幅值取决于会被旋涡阻碍的通道数量和流体的能量。在所有通道同时受到阻碍的某些情况下，旋转失速可能会变得明显更为猛烈，并伴有泵未充填/再充填循环。这种现象被称为涌。

有些专利解决泵中液压不稳的问题。可提到涉及用于引导离心式压缩机中的旋转失速技术的专利US-6,036,432和US-6,857,845。

此外，专利US-7,100,151B2建议在离心式压缩机的情况下在扩散器叶片外壳处修剪前缘，以减少边界层分离或者将边界层分离往下游移。

在专利FR-2,743,113中，建议了串联设置多级泵的叶轮叶片。这种叶片串联结构允许将液相和气相分离减到最少，以减少液压能量损伤并且改进对流经扩散器的流体的引导，但它不允许减少或者去除可能在部分流速下出现的诸如旋转失速的液压不稳。

发明内容

本发明描述了一种用于流体压缩装置的扩散器，该扩散器包括安装在毂上的至少一个叶片。在本发明的各实施例中，至少一个开口沿径向设置在扩散器叶片中，以减少或者去除诸如旋转失速的液压不稳。

提供此发明内容以引入一系列概念，这些概念下面在详细说明中将进一步描述。此“发明内容”不意在特指出所要求主题的关键或必要特征，也不意在辅助用于决定或限制权利要求书所述要求主题的范围。

本发明涉及一种用于流体压缩装置的扩散器，该扩散器包括安装在毂上的至少一个叶片。所述叶片包括至少一个开口，所述至少一个开口在所述叶片的轴向长度的10％到60％范围内的一个距离处起始。

根据本发明的各实施例，至少一个开口包括槽。

根据本发明的各实施例，所述槽的轴向长度在所述叶片的轴向长度的10％到40％范围内。

根据本发明的各实施例，所述槽设置在所述叶片的至少一半高度上、从所述叶片的外边缘开始朝向所述压缩装置的中心。

根据本发明的各实施例，所述槽设置在所述叶片的整个高度上。

根据本发明的各实施例，所述槽基本上垂直于流体压缩装置的轴线。

根据本发明的各实施例，所述槽根据所述扩散器上流体的流动方向朝向下游倾斜。

根据本发明的各实施例，所述槽基本上垂直于所述叶片的表面。

根据本发明的各实施例，所述叶片包括单个槽。

根据本发明的各实施例，所述至少一个开口在所述叶片的轴向长度的45％到55％范围内的一个距离处起始。

根据本发明的各实施例，扩散器包括多个开口，这些开口包含基本上对齐的孔。

根据本发明的各实施例，孔的队列基本上垂直于所述流体压缩装置的轴线。

根据本发明的各实施例，孔的队列根据所述扩散器上流体的流动方向朝向下游倾斜。

根据本发明的各实施例，开口由位于扩散器的两个扩散体部件之间的间隔件形成。

根据本发明的各实施例，扩散器的两个扩散体部件包括叶片在数量、角度、长度和/或形状方面的不同构造。

此外，本发明涉及一种流体压缩装置，该流体压缩装置包括外壳、位于所述外壳内的至少一个叶轮，所述叶轮包括至少一个叶片。由于所述压缩装置包括根据本发明的至少一个扩散器，所述扩散器布置在所述外壳内、位于所述叶片的上游或者下游。

此外，本发明涉及本发明流体压缩装置的用途，用于多相流体的压缩或泵送。

根据本发明的各实施例，这种用途涉及泵送多相石油流出物。

附图说明

在以下详细描述以及附图和本发明的非限制性实施例的示意图中进一步描述本发明。附图中所绘特征并不一定按比例示出。所述实施例的某些特征可以按比例放大或在某种程度上示意性地示出，并且为了清楚和简明的目的没有示出元件的一些细节。

-图1示出根据现有技术的泵的示例；

-图2示出现有技术用于泵的扩散器内流的示例；

-图3示出本发明的一个或多个实施例的示意性泵；

-图4示出现有技术扩散器的叶片；

-图5到8示出本发明扩散器的叶片的变型实施例；

-图9以轴向截面示意地示出本发明装置的特定实施例；

-图10示出现有技术用于扩散器的流体流速的示例；

-图11示出本发明各实施例的用于扩散器的流体流速的示例；以及

-图12示出本发明扩散器的叶片的实施例。

具体实施方式

文中所示的细节是仅出于本发明实施例的说明性讨论的目的。在此点上，所描述的本发明结构细节并非实现本发明所必需的本发明，结合这些附图所作描述使本领域技术人员明白如何实施本发明的若干方面。

如文中所使用，术语“扩散器”是指任何扩散器叶片，而不论流体是空气、其它气体、气体和液体混合物或是液体。如文中所使用，术语“流体压缩装置”是指流体压缩机以及流体泵，其在水上、水下或者井下(即，在地下地层中)。此外，在各附图中相似附图标记和标示表示相似元件。

当介绍本发明各实施例的元件时，冠词“一”、“一个”、“该”以及“所述”都意指存在一个或多个元件。术语“包括”、“包含”以及“具有”以开放方式使用，并因此应诠释为意味着“包括但不限于”。同样，术语“连接”、“配合”、“联接”、“附连”的任何形式的任何使用或描述各元件之间相互作用的任何其它术语并不意味着所描述的各元件之间的间接或直接的相互作用。此外，如文中所用，术语“轴向的”和“轴向地”一般是指沿着或者平行于中心轴线(例如，本体或端口的中心轴线)，而术语“径向的”和“径向地”一般是指垂直于中心轴线。例如，轴向距离是指沿着或者平行于中心轴线测量的距离，而径向距离是指垂直于中心轴线测量的距离。对“顶部”、“底部”、“之上”、“之下”以及这些术语变型的使用是出于方便，而不是要求部件的任何特定定向。

某些术语在整个说明书和权利要求书中用于指特定的特征或部件。如本领域技术人员将理解到的，对于该相同的特征或部件，不同人员可能会有采用不同的名称。因此，本文并不是仅从名称上而是从功能上来区分这些部件或特征。

本发明描述了用于流体压缩装置的扩散器的各实施例。该扩散器包括安装在毂上或者外壳上的至少一个叶片。在各实施例中，扩散器包括多个叶片。根据本发明的实施例，至少一个叶片包括至少一个开口。

开口被理解为包括设置在叶片中的槽或凹槽或孔。槽可沿压缩(或泵送)装置的径向方向来设置。在各实施例中，孔横穿叶片。在各实施例中，开口使得存在于压缩装置中的流体能够从扩散器一侧流到另一侧。在各实施例中，因此开口能通过将来自叶片的高压侧的流体传递到可能会被涡流阻碍的通道而均衡在各通道之间的流体流动。因此，漏损流有助于防止液压不稳，诸如是旋转失速现象。在各实施例中，通道包括设置在扩散器的两个相继叶片之间的空间，该通道受到毂限制并且受到其内布置有该扩散器的外壳的限制。在本发明各实施例中，压缩装置包括多个叶片。在各实施例中，每个叶片包括至少一个开口。

根据本发明，至少一个开口可制成在叶片中，开口从叶片的轴向长度约10％到约60％范围内起始，例如在叶片的轴向长度约45％到55％范围内的一个距离处。

根据本发明的一些实施例，至少一个开口包括槽。根据本发明的一些实施例，该槽可具有在叶片的轴向长度约10％到40％范围内的轴向长度。在各实施例中，该槽设有在叶片的轴向长度约10％到20％范围内的轴向长度。开口使得能够获得漏损流速，该漏损流速使在相邻通道中的打旋结构散开，同时在通过扩散器时保持良好的流动偏移。

借助非限制性示例，具有6到21毫米长度的槽可设置在轴向长度为54毫米的扩散器中。根据另一非限制性示例，长度在7到27毫米的槽可设置在轴向长度为68毫米的扩散器中。

借助非限制性示例，具有6到21毫米直径的孔可设置在轴向长度为54毫米的扩散器中。根据另一非限制性示例，直径在7到27毫米的孔可设置在轴向长度为68毫米的扩散器中。

根据本发明的各实施例，槽可具有矩形、长圆形、平行四边形或者任何类似形状。

根据本发明各实施例，槽可具有圆形、矩形、椭圆形或者任何类似形状。

根据本发明各实施例，槽可设置在叶片的外边缘处、即叶片的与毂间隔开的边缘处。因此，槽通到叶片的外边缘上。

根据可优化流体循环以及因此流体均衡的本发明各实施例，槽可设置在叶片高度的约一半上，或者在叶片高度的约三分之二上，或者在整个叶片高度上。

根据本发明的各实施例，槽可垂直于压缩装置的旋转轴线，以促进流体流动的均衡。

根据本发明各实施例，槽可基本上垂直于流体压缩装置的轴线。

根据本发明各实施例，槽可朝向下游(根据流体的流动方向)倾斜，即通到叶片外边缘上的槽的端部可设置在槽的另一端的下游。这种布局允许增加朝向外壳的漏损流，在外壳处涡流可能为最大。

根据本发明各实施例，设有多个开口并且包括可对齐的孔。在各实施例中，孔的队列基本上垂直于压缩装置的旋转轴线，以促进流体流动的均衡。

根据本发明的各实施例，孔的队列可朝向下游(根据流体的流动方向)倾斜，即通到叶片外边缘上的队列的端部可设置在该队列另一端的下游。这种布局可能允许增加朝向外壳的漏损流，在外壳处涡流可能为最大。

根据本发明各实施例，多个孔可设置在叶片外边缘处、即叶片的、与毂间隔开的边缘处。因此，各孔通到叶片的外边缘上。

根据可优化流体循环以及因此流体均衡的本发明各实施例，多个孔可设置在叶片高度的约一半上，或者在叶片高度的约三分之二上，或者在整个叶片高度上。

根据本发明各实施例，两个连续的扩散体部件可嵌入在每个叶轮之间。每个扩散体部件包括叶片。间隔件可用在所述两个连续的扩散体部件之间。因此，间隔件构成叶片上的开口。该实施例使得流定向最佳，并且使得可断开湍流。

扩散体叶片的构造对于每个扩散体部件来说可以呈不同的数量、角度、长度和形状。根据本发明各实施例，叶片的数量可以在扩散体部件之间是不同的。

图3借助非限制性示例示出本发明实施例的压缩装置的一部分。图3是类似于图1的视图、但被放大了。在各实施例中，压缩(或泵送)装置包括叶轮(动态轮)1和扩散器2，叶轮包括多个叶片3，而扩散器2包括多个叶片4。扩散器2的每个叶片4包括沿轴向基本上设置在叶片中心的槽5。如图所示，槽5可设置在叶片的整个高度上。然而，可考虑其它高度，例如为叶片高度的约50％或者约2/3。

图4示出现有技术扩散器的叶片4的示例。在此图中，前缘6(基于上游UP，即流体的来处)在前方中，而尾缘7(基于下游DW，即流体流出处)在后方中。叶片中朝向毂HUB的部分对应于所示叶片的下部分，而叶片中朝向外壳HOU的部分则是叶片的上部分。示意地示出叶片4的大致形状。

图5到8借助示意性而非限制性示例示出本发明扩散器的叶片的各变型实施例。图5到8的叶片以与图4的叶片相同的方式进行定向。

图5示出包括槽5的叶片4的实施例。该槽5基本上垂直于毂的轴线。此外，如附图表示的，槽5可设置在叶片4的整个高度上。

图6示出包括槽5的叶片4的实施例。该槽5基本上垂直于毂的轴线。此外，槽5可在叶片4高度的基本上三分之二上设置，如附图中所呈现那样。

图7示出包括槽5的叶片4的实施例。槽5可朝向下游、即从毂向外壳倾斜。此外，槽5可设置在叶片的整个高度上。

图8示出包括多个孔8的叶片4的实施例。三个孔8是对齐的，但开口的数目是非限制性的。在该实施例的变型中，叶片可包括数量在2到8，例如2、4、5或6个孔。孔8的队列基本上垂直于毂的轴线。此外，如附图表示的，孔的队列可设置在叶片4的整个高度上。

可以考虑其它实施例，例如，高度基本上对应于叶片高度的一半或三分之二的倾斜槽，设置在叶片高度的基本上一半或三分之二上的多个开口等等。

图12示出多相泵的多个级(图12示出两级)，每级包括动态轮1和扩散器2。动态轮1可包括多个叶片3，而扩散器2可包括本发明实施例的多个叶片4以及多个叶片4’。在所述实施例中，两个连续的扩散体部件12、13嵌入在各个叶轮3之间。两个扩散体部件12、13可具有基本上相同的轴向长度。每个扩散体部件12、13包括叶片4、4’。间隔件11用在所述两个连续的扩散体部件12、13之间。间隔件11构成开口5，该开口将叶片4分成两个部分。第一扩散体部件12包括叶片4和叶片4’，而第二扩散体部件13仅包括叶片4。叶片4’插入在两个叶片4之间。因此，第一扩散体部件12包括比第二扩散体部件13多两倍的叶片。

本发明各实施例还描述了流体压缩或泵送装置，该流体压缩或泵送装置包括外壳、位于外壳内并且装有至少一个叶片的至少一个叶轮、以及根据上述实施例之一的至少一个扩散器(各种特征可以进行组合)。扩散器可布置在外壳中、位于叶轮的上游和/或下游。

外壳可设有至少一个流体进入口和至少一个流体排出口。叶轮可固定到轴，叶轮可被压配到该轴上，且轴可被驱动旋转。扩散器可布置在每个叶轮的出口处。

在各实施例中，根据本发明的压缩或泵送装置可以是轴向泵、径向泵或混合(半径向)泵或者任何其它类似的泵。例如，泵可以是如在专利申请FR-2,899,944(US-8,221,067)中描述的混合泵。根据另一示例，泵可以是如在图1中所示的

型泵。

流体压缩或者泵送装置可用于任何类型的流体：仅液体、仅气体或者多相流体(例如包括气体和液体)。

根据本发明的实施例，压缩或者泵送装置可用于泵送多相流出物。本发明的压缩装置使得能够更好平衡多相流，以及明显降低发生在扩散器下游并且由于扩散器通道内存在涡流而产生的压力波动。

在各实施例中，压缩或泵送装置可用于泵送多相石油流出物，该流出物包括水、油和气体以及可能的固体颗粒。在各实施例中，泵的设计可类似于在专利申请FR-2,333,139、FR-2,471,501(US-4,365,932)、FR-2,665,224(US-5,375,976)以及FR-2,743,113(US-6,149,385)中所描述的那些。

图9以轴向截面示意地示出本发明装置一实施例的一级。包括轴10的(轴线A的)转子可由运动装置(未示出)驱动旋转，该运动装置诸如但并非排它的为电动机以及也可能为传动装置，该传动装置允许明显地使马达的轴转速适应于轴10将被驱动的转速，它们均被布置在外壳9(装置的定子)中。轴10可例如通过至少两个不同的轴承(未示出)在外壳9中保持在位。图9示出一个叶轮1，该叶轮的功能是增大流体的能量。叶轮1例如通过压配固定到轴10。该级也包括本发明一个实施例的扩散器2。扩散器2可例如借助固定螺钉(未示出)固定到壳体9。

数值模拟允许表现在穿过扩散器的不同平面中的、从前缘到尾缘分布的流体流速的轴向分量。

图10示出现有技术扩散器的流速Va(m/s)的轴向分量。该扩散器包括多个叶片4。流速Va的轴向分量以灰度比例示出，其中，白色区域对应于负值，从而表示出阻塞效应，而最黑区域对应于高值。可注意到所有通道不会同样地操作，这表示出在各通道之间的液压扰动。

图11示出本发明实施例的扩散器的流速的轴向分量的示例。在图9的示例中，扩散器包括多个叶片4，每个叶片4包括基本上位于其中心处的槽5。流速Va的轴向分量在灰度比例上示出，其中，白色区域表示负值，而最黑区域对应于高值。与图10相比，在该图9中可以注意到，示出阻塞效应的这种白色区域的数量和程度显著降低。

数值模拟的这些示例使得可示出现有技术扩散器可能在扩散器的通道内发生的阻塞效应。另一方面，以本发明扩散器的示例进行的数值模拟示出设置在扩散器上的槽的有益效果，即更好地均衡了从一个通道到另一个通道的流动(如图10和11中所示)。

Claims (12)

1.一种用于流体压缩装置的扩散器，所述扩散器包括安装在毂上的至少一个叶片（4），其特征在于，所述叶片（4）包括至少一个开口（8, 5），所述至少一个开口在所述叶片（4）的轴向长度的10％到60％范围内的一距离处起始，所述至少一个开口是横穿所述叶片的槽（5），所述槽根据所述扩散器上的流体的流动方向朝向下游倾斜以使通到所述叶片的外边缘上的所述槽的端部设置在所述槽的另一端的下游。

2.如权利要求1所述的扩散器，其特征在于，所述至少一个开口包括槽（5）。

3.如权利要求2所述的扩散器，其特征在于，所述槽（5）的轴向长度在所述叶片（4）的轴向长度的10％到40％范围内。

4.如权利要求2或3所述的扩散器，其特征在于，所述槽（5）设置在所述叶片（4）的高度的至少一半上，从所述叶片的外边缘开始朝向所述流体压缩装置的中心。

5.如权利要求4所述的扩散器，其特征在于，所述槽（5）设置在所述叶片的整个高度上。

6.如权利要求2所述的扩散器，其特征在于，所述槽（5）基本上垂直于所述流体压缩装置的轴线。

7.如权利要求2所述的扩散器，其特征在于，所述槽（5）基本上垂直于所述叶片（4）的表面。

8.如权利要求2所述的扩散器，其特征在于，所述叶片（4）包括单个槽（5）。

9.如前述权利要求1所述的扩散器，其特征在于，所述至少一个开口在所述叶片（4）的轴向长度的45％到55％范围内的一距离处起始。

10.一种流体压缩装置，所述流体压缩装置包括外壳、位于所述外壳内的至少一个叶轮（1），所述叶轮(1)包括至少一个叶片（3），其特征在于，所述流体压缩装置包括如前述权利要求中任一项所述的至少一个扩散器（2），所述扩散器布置在所述外壳内、在所述叶轮的上游或者下游。

11.如权利要求10所述的流体压缩装置的用途，用于压缩或者泵送多相流体。

12.如权利要求11所述的用途，用于泵送多相石油流出物。

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