搅拌器装置和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于对将固体引入容纳有加压流体的腔室进行控制的新的和改进的方法和装置，例如，用于在井下压裂操作(downhole fracking operat1n)中混合和泵送大量的液体/沙浆料的搅拌器。
【背景技术】
[0002]本发明人之前已设计用于给定叶轮直径比例的不同的桨片或叶片设计。在过去，叶片被设计以平衡固体和液体在围绕叶轮叶片的外空间与叶轮组件的中心之间固体和液体混合的点，从而允许将干的沙经由叶轮的中心而引入。在确定叶轮叶片的设计中需要考虑的其中一个点是固体颗粒的质量流动速度或者流量，以及其在叶轮叶片的给定旋转速度下的密度；以及将RPMs或速度乘以叶片的数量，其进而将有助于形成在叶片之间的空间和其深度。
[0003]再另一个需要考虑的变量是沙从中心排出至叶轮区域的速度，其可受到所使用的排出器叶片和大体圆锥或凸起的中心的影响。此外，一旦根据沙颗粒的期望流动速度而形成排出器的直径以及叶片的数量，则可确定叶轮的直径及其叶片的形状，从而实现沙颗粒通过叶轮区域的最佳流动速度。相反地，计算液体通过叶轮叶片之间的空间朝向叶轮组件的中心的逆流的速度是很重要的。由此，能够确定将进入流逆转并推动浆料返回围绕叶轮组件的外环形空间的最佳平衡点或者所需的叶片的尺寸和位置。
[0004]根据本申请人的美国专利第7，967，500号，其公开了叶片的配置和构造，其中液体沿着初级叶片之间的路径朝向叶轮的中心流动，直到其到达下一个叶片，这将使得其逆转并从中心偏离流动。然而，需要在初级叶片之间的空间中使用阻挡叶片，从而保持叶轮的眼干燥并调节在眼的径向向外的区域中的固体和浆料之间的平衡点，同时在宽范围的质量流速泵送浆料。此外，具有对叶轮叶片的设计的持续需要，其中不仅实现前述目的，还最小化所消耗的能量并在长期使用中减少磨损同时还简化结构并最少化在防止液体或浆料泄漏回至组件的眼或中间区域中所需的部件的数量。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供用于利用简化的叶轮组件对液体和固体颗粒搅拌的新的和改进的方法和装置，其最小化磨损，能量消耗，以及部件的更换，同时保持最佳搅拌条件且防止液体或浆料逆流回至叶轮的眼中。
[0006]另一个目的是提供用于设计叶轮的方法，其考虑了大量的变量，包括在叶轮叶片的给定数量和旋转速度以及其间隔下的流速、密度和颗粒尺寸。
[0007]另一个目的是提供叶轮组件，其具有结合至主叶片中的阻挡叶片表面，其间隔开并配置成保持最佳平衡以及将浆料从叶轮的眼偏转离开。
[0008]另一个目的是通过尽量接近逆流的起点处阻挡逆流并使其被再定向回到围绕叶轮组件的环形空间中而最小化在叶片之间的液体的逆流所产生的能量消耗。
[0009]在一个方面，叶轮组件的特征在于具有从底座板向上延伸的大体三侧面叶片，底座板与叶轮的眼成围绕关系，且进而被环形壳体围绕，各叶片具有相反侧面，该相反侧面从位于底座板的内径向边缘处或与底座板的内径向边缘相邻的端面向外汇聚并且终止于位于或接近底座板的外周边缘处的顶点。
[0010]在另一个方面，该装置被设计用于压裂操作，其通过在沙接近叶轮区域时从沙中将空气选择地移除而保持沙以硫化状态输送通过上颗粒入口，以及将沙从叶轮的眼散布开以保持一致的输送，同时最小化堵塞并且在沙与水混合为将用于形成井下压裂操作的浆料时保持沙的流动的一致高质量速度。
[0011]在仍另一个实施方式中新的和改进的排出器被插入在入口和叶轮组件之间，以加速沙从入口的输送用于与在叶轮区域中的水混合。叶轮叶片的内周围端表面与从固体入口径向向外延伸的排出器叶片对齐。排出器叶片在朝向其外径向端厚度增加，且与下一个叶片的前端近得多，以阻挡在压力下从环形壳体进入叶轮组件的水流与通过排出器叶片被向外驱动的固体颗粒之间形成的浆料的逆流。
[0012]在另一个方面，叶轮叶片可包括朝向其内端的阻挡横档，其更接近并面向各相邻叶片的外径向端，以重定向并防止浆料朝向叶轮的中心的逆流。
[0013]参考附图并当结合【具体实施方式】时，其它的方面和实施方式将更加明显，且这里所公开的实施方式被考虑为示意性的而不是限制性的。
【附图说明】
[0014]图1是具有低轮廓搅拌器组件的液压驱动混合系统的部分剖视的正视图；
[0015]图2是液压驱动混合泵的部分剖视的另一个正视图；
[0016]图3是机械驱动混合泵的另一个形式的部分剖视的正视图；
[0017]图4是具有组合叶轮/排出器组件的搅拌器的第一实施方式的透视图；
[0018]图5是沿着图7的线5-5截取的图4的叶轮组件的横剖视图；
[0019]图6是如图4中所示的搅拌器组件上的顶盖板的透视图；
[0020]图7是图4至6中所示的叶轮/排出器组件的正视图；
[0021]图8是叶轮/排出器组件的第二实施方式的正视图；
[0022]图9是沿着图7的线9-9截取的横剖视图；
[0023]图10是图8和9中所示的搅拌器组件上的盖板的透视图；
[0024]图11是叶轮组件的第三实施方式的透视图；
[0025]图12是图11的叶轮组件的搅拌器的另一形式的透视图；
[0026]图13是图11的平面视图。
【具体实施方式】
[0027]第一个实施方式的具体说明
[0028]具体地参考附图，装置10为图1中所示的液压驱动混合器的形式，且其可被安装在卡车上，卡车在此未示出，但在美国专利第7，967，500号中具体地示出和说明。如该专利的图1和2中所示，增压泵与进入端口连通，例如这里的图1中所示的进入端口 24。如前面提到的专利中的图1和2中所具体地示出的，在油和气的操作中，例如压裂井或注水泥固井中，泵10被与发动机一起安装至车厢上，驱动机构经由减速器机构将旋转提供至中间驱动轴。固体颗粒物质(例如沙)通过螺旋钻(auger)被从存储区域运输至料斗(hopper)的上端，且由于重力前进进入叶轮区域。沙与通过端口 24引入的液体混合，且所得到的浆料在充分压力下经由排出端口 26通过输送管排出以被输送至井口。增压泵调节在叶轮组件壳体的环形区域(annulus)中的压力，且可被精密地控制以根据需要保持从泵的出口至进入端口 24的恒定压力水平，以及增大压力。
[0029]作为第一实施方式的设置，在图1中示出了装置10，其具有大体漏斗形状的料斗12，该料斗12向下汇聚并终止于下端13，该料斗12通过周向间隔开的支柱14而被安装为与吊架(suspens1n mount)接近地间隔开并在其上方，该吊架用于在壳体20中的叶轮组件27。壳体20被支撑在底座支架22上，且包括进入端口 24和出口端口 26，其与围绕叶轮组件27的壳体20中的环形区域开放连通。
[0030]驱动轴30被居中地安装在料斗10中，其中驱动轴30的下端在叶轮组件27的底座板34的中间处被枢轴地(journaled)安装在毂32中，且驱动轴30的上端36被安装在驱动电机11下方的轴承38中。在第一实施方式中，沙以及其它的与沙混合的干燥化学物质通过重力前进至中间搅拌器区域并且以下文中说明的方式被向外驱动以与经由进入端口 24被引入且进入围绕叶轮组件27的环形区域的液体(主要包括水)形成浆料。
[0031]图4-6更详细地示出了搅拌器单元27的第一实施方式，搅拌器单元27包括底座板34，其支撑在底座板34上安装的外侧向上延伸的叶轮