泵/馬達組件的製作方法

2023-06-15 01:17:06

專利名稱：泵/馬達組件的製作方法
技術領域：
本發明涉及一個泵或馬達組件，特別是用於油井或氣井的井底。
在油井鑽探中，如果沉積油的壓力不足以將油帶到表面，必須使用人工將油從油床中抽出。可以使用井底泵將油泵到表面。
泵吸粘度十分大的流體，例如確定密度的碳氫化合物，會給傳統泵的有效泵吸帶來問題。
根據本發明，提供了一個泵，其包括一個轉子和一個定子，在轉子和定子上分別設置有彼此相對螺紋，通過轉子的旋轉，該定子和轉子相互配合以提供一個用於將流體在它們之間縱向流動的系統，和其中定子和轉子之一具有一個實體。
根據本發明，還提供一個馬達，其包括轉子和定子，在轉子和定子上分別設置有彼此相對螺紋，通過流體在它們之間縱向流動，該定子和轉子相互配合以使轉子和定子的相對旋轉，和其中定子和轉子之一具有一個實體。
本發明還提供了泵吸粘性流體的方法，該方法包括將流體流過具有轉子和定子的泵，轉子和定子分別設置有彼此相對的螺紋。
該方法特別適合於泵吸粘度大於1000Cp的流體，優選大於2000Cp的流體。
術語「實體」特別是指沒有通孔的轉子或定子。
優選的是，在轉子和定子之間具有工作間隙，轉子和定子中的一個可以設置有用於另一個的軸承支撐。
優選的是，轉子在它的外表面上設置有螺紋並且在定子之中旋轉。定子在它的內表面上設置有螺紋。最優選的是，螺紋是多線的，並且轉子螺紋和定子螺紋具有不同的線數。
泵和／或馬達優選用於井底。
在一個實施例中，定子是一個彈性體，而轉子是金屬材料，例如抗磨損的鋼。使用這樣的組合材料的優點是允許在流動的流體中存在諸如沙子和沙礫的顆粒，而不會損壞泵組件。在一個優選的實施例中，轉子和定子分別由塑性材料製成。其它適合的材料包括金屬、陶瓷、聚合物和諸如碳纖維／凱夫拉爾的合成物材料。
組件可以是一個組合單元或一組可以在現場組裝的部件。
本發明還提供了一個泵，其在殼體的相對的端部設置有兩個轉子和兩個定子，該端部和在兩個該端部之間的中間部分分別具有流體流過的孔，其中轉子相對於彼此設置有相反的螺紋，以便通過轉子在殼體內的旋轉，流體在中間部分的孔與兩個端部的孔之間流過。
根據本發明，提供了一個泵，其包括有轉子和定子，在轉子和定子上分別設置有彼此相對螺紋，通過轉子的旋轉，該定子和轉子相互配合以提供一個用於將流體在它們之間縱向流動的系統，和其中轉子的螺紋在轉子的一端和另一端之間改變角度。
現在將通過參考附圖對本發明的優選實施例進行詳細的描述說明，其中

圖1是本發明井下泵／馬達組件的一個轉子和定子的第一實施例的側視截面圖；圖2是本發明井下泵組件的泵部分的側視截面圖；圖3是本發明泵的第三實施例的側視截面圖；圖4是泵的第四實施例的側視截面圖；圖5是在反方向工作的圖4的泵的側視截面圖6是泵的第五實施例的側視截面圖；圖7是在反方向工作的圖6的泵的側視截面圖；圖8是泵的第六實施例的側視截面圖；圖9是泵的第七實施例的側視截面圖；圖10是泵的第八實施例的側視截面圖；和圖11是泵的第九實施例的側視截面圖。
井下泵組件的第一實施例包括一個被一個環形定子11所包圍的實心轉子10，定子11與轉子10同軸並且圍繞著轉子10延伸。轉子10具有右旋的外螺紋，定子11具有左旋的內螺紋。轉子10和定子11的螺紋具有相等的齒距並且都具有雙線，以及螺紋牙頂彼此之間相互足夠接近以便在它們之間提供腔室，在腔室中的油能夠被保持以便在轉子10的旋轉作用下向上運動。每個螺紋可以具有不同的線數，例如4／5。
轉子10被連接到一個馬達(未示出)上以驅動轉子在定子中旋轉。
螺紋或槽的橫截面積、它們的齒距或螺旋角、和在定子內的轉子的總的長度會影響到泵的性能。一般橫截面越大和齒距越陡，容積就越大和每單位長度上的壓力升高就越小。總的壓頭與作用的長度直接成正比。
已經發現在轉子／定子組件上的使用粗大的螺紋會在改善泵的輸出上起到意想不到的效果。
在圖1和2中顯示的實施例是一個泵，並被設計為使流體沿著箭頭A、B和C的方向流過泵，並被在定子中的轉子的旋轉所驅動。
本發明還在於提供一個馬達以用於驅動第二轉子(未示出)旋轉，該馬達包括如圖所示的轉子10和定子11。本發明的馬達被沿著箭頭A、B和C的相反方向在轉子和定子之間流過的流體所驅動，藉此驅動在定子中的轉子旋轉。可以使用這個旋轉力以藉助於利用轉子10驅動第二泵(未示出)的轉子旋轉。
圖3中的實施例顯示了一個第三實施例的泵(和一個在反向工作的馬達)。第三實施例具有一列轉子100和定子120，它們彼此之間通過環形軸承110和止推軸承111相互垂直間隔，其中流體通過環形軸承。通過轉子100的旋轉將流體泵出到外部管140中。另外，如果該列被用作馬達，通過被驅動流體通過管140，以便驅動轉子100相對於定子120旋轉。
圖3的泵與傳統的水下電動泵(ESP)相比的相對性能的詳細報告參見隨後的附錄。在該報告中清楚地表明本發明的泵在流體的粘度增加時仍然保持良好的性能。
本發明的泵的三部分測試表明它適合於有效地泵抽具有很大範圍的粘度的流體。對於粘度從1釐泊到幾千釐泊的流體，泵的測試都很滿意。當在負載下時，在粘度大於大約100Cp條件下，泵具有相當高的效率(與傳統的離心泵ESP相比)。在粘度大於1000Cp條件下，泵的效率實際上高於ESP泵。在幾千釐泊的條件下，泵仍然具有不令人失望的效率。傳統的EPS泵在粘度大約為1600Cp的條件下效率將被限制到很低並將在流體的粘度低於2000Cp的條件下停止有效的工作。
泵可以被設計為直接與EPS泵的電動機和推力部分連接以用於直接替換現有的一個EPS的泵端部。特別是，本發明的泵能夠通過螺紋連接到一個EPS的外殼上並且通過一個鍵鎖定在外殼上以防止運動。
圖4顯示了本發明的另一個泵實施例，其包括一個外部殼體240、一列轉子200和定子220，該列轉子200和定子220藉助於環軸承210和止推軸承211彼此之間相互間隔，流體可以流過環形軸承210，如圖3的泵所示。一個中間軸201延伸穿過所有轉子和定子。管240具有一個被歧管203包圍的中間入口孔202，以用於將流體引入到管240中。當流體已經流過歧管203和中間孔202進入到管240的中間區域時，藉助於轉子200的逆時針旋轉將流體抽吸到上和下端部Eu、El。因為靠近下端部E1的轉子2001被布置成與靠近上端部Eu的上轉子相對，於是流入進入口孔202的流體以不同的方向被抽吸。兩個轉子沿著相同的逆時針方向旋轉。
圖5顯示了相同的構造，只是流體流動的方向不同以及軸201和轉子200沿著正時針的方向旋轉。藉助於相對的轉子2001和200u的旋轉，將流體抽吸到中間區域204並且通過孔202和歧管203排出。
圖6顯示了圖4和5的泵的可替換的實施例，其中設置有包括三個上轉子200u和三個下轉子2001的一個列。明顯的是，可以在該列中設置附加的轉子以為了增加泵的容積。圖7顯示了以另外的方向的泵吸的圖6的設備。其工作如對圖4／圖5中泵的描述。
圖8顯示了另一個實施例，其包括一個帶有階梯的外部殼體340，該殼體的中間區域具有孔以允許流體通過一個入口歧管303進入到殼體340中，這樣流過入口歧管303的流體能夠流過該孔進入到殼體的中間區域304內。圖8泵的另外的特點是具有與以前的實施例相同的結構，除了圖8泵的三個上轉子和三個下轉子的一種結構，每一列設置在中間區域304和各自的端部Eu和El之間。在每一列中靠近中間部分304的轉子大於中間的轉子，該中間轉子又大於靠近端部E的轉子以允許由於從泵的入口部分304流向端部Eu／El的流體的淨容積減少而引起的蒸汽部分壓縮效應。這個因素經常產生於具有汽相和液相的多相流體的泵吸，因為當流體流過泵以承受較高壓力時，汽相被壓縮導致泵的壓力不穩定。在圖8泵的端部Eu和El的較小直徑的轉子能夠補償這個容積的減少並且保持流體在流過泵時的壓力穩定。
圖9是對圖8泵的改進，但是轉子300被設置在不同段的軸上，軸以相同的方向旋轉，並且入口設置在殼體440的端部Eu和El。流體從端部Eu和El流入入口，當流體達到中間區域404時，階梯轉子400的轉子的直徑逐漸減小以便補償由於壓力增加使汽相壓縮而導致的容積減少。流體通過以前所述的歧管403被排出。
藉助於改變轉子的葉片特性，能夠處理多相流體泵吸的問題。
圖10顯示了另外的實施例，其具有一個殼體540、一個入口541和一個出口542、和一列如前所述的安裝在一個軸501上的轉子500。
圖10的泵從它的下端部541吸入流體並且流過不同的轉子500之後從它的上端部542排出。轉子500在它們的外表面上具有葉片505，它們在轉子的堆疊上設置成相同的旋轉方向。在堆疊的下端部，端子5001具有改進的葉片，在葉片的下端部5051設置為一個陡峭的角度以便它們實際上平行於轉子500的長軸線。當葉片沿著轉子的長軸線延伸時，葉片與轉子的長軸線所夾的角度逐漸增大，於是葉片505m在其中間點505m處橫截於長軸線，並且在其上端部505u，傾斜的角度又實際上橫截於轉子的縱向軸線。這就與在堆疊的其它轉子的葉片上的恆定角度相對照。下部轉子5001被設置在改進的定子5201上，該定子具有匹配葉片525與在轉子5051上的葉片505的形狀相配合。葉片505和轉子5051的角度的逐漸變化有助於解決流過泵的多相流體的汽相的壓縮效應的問題。
圖11顯示了另外的實施例，其具有一個包含有一個軸601和具有入口641和出口642的殼體640。殼體640具有階梯643和644，該階梯在靠近入口641時直徑增加。在軸601上具有一列轉子600，殼體的643和644部分包含有對應的較大直徑的轉子6003和6004。較大直徑的轉子6003和6004具有平衡由於汽相的壓縮而具有較小容積的流過泵的多相流體的壓力的相同功能。
如圖4、5、6、7、8和9所示的泵的實施例的優點包括平衡推力的效應，該推力是由相對的轉子所施加的相等的相反的力，優選這些轉子在相同的軸上沿著相同的方向移動。這將減少轉子和軸承的磨損和在一定情況下取消對軸承的要求。
所描述的本發明的實施例並不局限於在海下或井下使用，還可以作為一個泵或馬達組件使用在地面或海床上，該泵或馬達組件被止推平衡，如圖4到9所示，或位於傳統的油田鑽管之內。轉子的組件可以被以水平、垂直或任何適合的方式安裝。
現在已經發現本發明對於泵吸十分粘稠的流體特別有效，例如具有一定密度的碳氫化合物、或冷態的碳氫化合物，這些流體對傳統的泵的有效工作會產生特定的問題。
本發明的另外的實施例能夠被安裝在地表並且能夠作為泵和馬達組件工作。
本發明的實施例相對於傳統的EPS泵具有優越的性能、效率和靈活性。它們可以適應不同速度的驅動工作，優選在一個比傳統的EPS泵更寬範圍下工作。
特定實施例對相對的粘度的穩定性能使它們特別適合於海下管道系統任務、起動、常規工作或非常規工作的全部範圍。
在海底和特別在深水中操作中，如果沉積的壓力不足夠大以將原油輸送到所要到達的位置，則需要將原油從海底升壓輸送到岸邊到一個主設備或到另一個海底設備。本發明的特定實施例的海底單相或多相泵能夠將原油輸送到所要到達的位置。
藉助於改變在轉子和定子之間的間隙，對於在泵吸流體中的固體顆粒物，以上描述的本發明的每個實施例能夠適合於「容許固體顆粒」(在工作溫度下)。通常0．010″的泵／轉子間隙能夠增加到0．050″，而對泵效率和性能的影響十分小。
一個0．050″的定子／轉子間隙將允許加載具有103微米顆粒大小的沙子。
預備的試用表明泵組件將泵吸粘度範圍從5000Cp到數萬釐泊的極端粘性的塑性和假塑性「流體」。在較高的粘度範圍下必須明顯降低泵的旋轉速度以避免由於泵的入口管壓力在標定「大氣壓力」測試迴路的損失而造成的空穴現象。
在不脫離本發明的範圍之內可以進行改進和變化。例如，轉子可以具有一個圍繞定子的環形圈的形狀，而定子可以具有實心杆的形狀。本發明的任何特徵可以與其它任何的特徵相結合，除了相互排斥的以外。特別是，這裡所描述任何泵在反方向工作時能夠被用作一個馬達，以及驅動的流體帶動轉子旋轉而不是轉子的轉動驅動流體流動。這裡所描述的任何泵和馬達可以為水平、垂直或其它的結構。
讀者可以參考本發明的優先權文件，英國專利申請號9724899．1，以及這裡所遞交的摘要。
計算結果
馬達輸出功率取決於馬達電流的測量並由廠家實際測試曲線繪出 容積流量率取決於充注已知容量所用的時間測試泵是由電機通過皮帶／滑輪驅動的 0．8的傳動效率也可被用於繪製滿足不同的皮帶張緊、Fenner動力傳動建議對於正確張緊的皮帶最大效率是0．96 粘度測量和在泵部分止推軸承的損失的精確的趨勢對於不同的測試壓力，粘度和效率之間的關係
效率@0．15，0．25 0．5Bar 性能參數 ESP和Triangle V－泵效率粘度 Triangle水下泵馬達BCP銘牌明細MPA572TFBS3G 系列號750W 標定輸出2800 RPM轉速220／240V 電壓6．3A 電流@VWD80尺寸3000 RPM同步轉速馬達，垂直 止推軸承 4．OA3．2A假測試「A」讀數沒有邏輯累進驅動0．96效率 Fenner，皮帶驅動效率，正確張緊泵部分止推軸承4800rpm調節速度@lBar背壓技術容積箱 精確-威士忌酒瓶效果電錶，鉗測試器 4．0A只對於馬達4．2A只對於馬達粘度測試樣品的動粘度在600rpm的最大轉速下確定。粘度-速度曲線顯示了在轉速超過600rpm時粘度值接近於恆定。因此，下表將適用於泵轉速在4800rpm的情況。另外，還列出了在轉速為零和環境溫度下的粘度。
權利要求
1．一個泵，包括有轉子和定子，在轉子和定子上分別設置有彼此相對螺紋，通過轉子的旋轉，該定子和轉子相互配合以提供一個用於將流體在它們之間縱向流動的系統，和其中定子和轉子之一是一個實體。
2．根據權利要求1所述的泵，其特徵在於，轉子或定子沒有通孔。
3．根據權利要求1或2所述的泵，其特徵在於，在轉子和定子之間設置有工作間隙。
4．根據前述權利要求中的任一項所述的泵，其特徵在於，定子和轉子中的一個設置有對另一個的軸承支撐。
5．根據前述權利要求中的任一項所述的泵，其特徵在於，轉子在它的外表面上設置有螺紋並且在定子之中旋轉。
6．根據前述權利要求中的任一項所述的泵，其特徵在於，定子在它的內表面上設置有螺紋。
7．根據前述權利要求中的任一項所述的泵，其特徵在於，螺紋是多線的。
8．根據前述權利要求中的任一項所述的泵，其特徵在於，轉子螺紋和定子螺紋具有不同的線數。
9．根據前述權利要求中的任一項所述的泵，其特徵在於，轉子是一個實體，並且在定子中旋轉。
10．根據前述權利要求中的任一項所述的泵，其特徵在於，轉子和定子之一是一個彈性體，而另一個是金屬的。
11．根據權利要求1－9中的任一項所述的泵，其特徵在於，轉子和定子分別由塑性材料製成。
12．根據權利要求1－9中的任一項所述的泵，其特徵在於，轉子和／或定子可以從金屬、陶瓷、聚合物和合成物材料之中選擇的材料製成。
13．根據前述權利要求中的任一項所述的泵，其特徵在於，包括一列按照順序排列的轉子和定子，以便流體流過在一個定子和轉子之間的空間進入到在另一個轉子和定子之間的空間。
14．根據前述權利要求中的任一項所述的泵，其特徵在於，在泵的入口端的轉子直徑與出口端的轉子的直徑不同。
15．根據權利要求14所述的泵，其特徵在於，在泵的入口端的轉子直徑大於出口端的轉子的直徑。
16．根據前述權利要求中的任一項所述的泵，其特徵在於，在殼體的相對的端部設置有兩個轉子和兩個定子，該端部和在兩個該端部之間的中間部分分別具有流體流過的孔，其中轉子相對於另一個設置有相反的螺紋，以便通過轉子在殼體內的旋轉，流體在中間部分的孔與兩個端部的孔之間流過。
17．根據前述權利要求中的任一項所述的泵，其特徵在於，轉子的螺紋在轉子的一端和另一端之間改變角度。
18．一個馬達，包括有轉子和定子，在轉子和定子上分別設置有彼此相對螺紋，通過流體在轉子和定子之間的縱向流動，該定子和轉子相互配合以使轉子和定子的相對旋轉，和其中定子和轉子之一是一個實體。
19．泵吸粘性流體的方法，該方法包括將流體流過具有轉子和定子的泵，轉子和定子分別設置有彼此相對的螺紋。
20．根據權利要求19所述的方法，其特徵在於，其中流體的粘度大於1000Cp。
21．根據權利要求20所述的方法，其特徵在於，流體的粘度大於2000Cp。
全文摘要
本發明公開了一個用於泵吸粘性流體的泵,當其在反向工作時是一個馬達,其包括彼此具有相對螺紋的轉子和定子,和在它們之間的流動通道,馬達定子和轉子之一是一個實體,即其不具有通孔。
文檔編號F04D3/00GK1279747SQ9881138
公開日2001年1月10日 申請日期1998年11月26日 優先權日1997年11月26日
發明者阿爾斯泰爾·約翰·辛普森, 安東尼·鄧肯·卡梅倫 申請人:三角工程諮詢有限公司