专利名称：减少二次流效应的泵送系统和方法
减少二次流效应的泵送系统和方法背景技术离心泵在很多环境中使用以泵送多种流体。例如，离心泵用于放置在 井内或其它浸没环境中的电动潜水泵。电动潜水泵通常用于生产石油或输 送与井相关的环境中的其它流体。电动潜水泵形成有多个泵级，所述泵级每一个具有叶轮和扩压器。每一个泵级由于形成在泵级内的二次流型(pattern)会出现液力损失。引 起二次流的通常原因是叶轮内的科里奥利力以及叶片的曲率、和叶轮与扩 压器内的通道。二次流的速度通常比核心流低，且经常集中在扩压器内的 吸入/轮毂角处以及在叶轮内的吸入/罩角处。发明内容总之，本发明提供了一种提高离心泵的泵送效率的低成本技术。通过 泵构件的一个或更多叶片形成通道。每一个通道的一端暴露于沿着叶片的 低能量流、即二次流区域。每一个通道使得少量的流体从低能量区域流动 到叶片的相对侧，以减少二次流效应和提高泵送效率。
下面将参照附图描述本发明的一些实施例，其中相同的附图标记表示 相同的元件，且图1是根据本发明实施例的放置在井眼中并具有离心泵的电动潜水泵 系统的前视图；图2是根据本发明实施例的、具有多个泵级且每一个泵级包括叶轮和 扩压器的离心泵的前视示意图；图3是根据本发明实施例的、具有延伸通过叶片到达低能量流区域的 通道的泵构件叶片的正交视图；图4是根据本发明实施例的具有包括该通道的叶片的泵构件的一部分 的正交视图；图5是根据本发明实施例的、具有包括该通道的叶片的另一泵构件的 正交视图；和图6是根据本发明实施例的泵构件的前视图，说明了该通道的方位以 便于砂型铸造该泵构件。
具体实施方式
在下面的描述中，提供了很多细节以便于理解本发明。然而，本领域 普通技术人员将理解的是，在不存在这些细节的情况下也可以实施本发 明，且可以对所述实施例做出各种变化或修改。本发明一般涉及用于泵送流体的技术。离心泵利用具有方位形成为减 少由于二次流效应导致的液力损失的泵构件(例如叶轮和/或扩压器)。二 次流型在离心泵的泵级内形成低能量流体流区域。低能量流区域在离心泵 的单个泵级内可以沿流动引导或定向叶片形成。较高能量的流体流区域在 相邻的流通通路内通常直接越过叶片。 一个或更多通道可以形成通过叶片 并且与低能量流区域连通。这些通道使得少量的流体从叶片一侧的低能量 流区域到达叶片的相对侧，从而减少了与低能量流区域相关联的液力损 失。下面主要参照图l说明本发明的、放置在泵送装置中的离心泵的一个 实施例。离心泵20形成为连接到电动潜水泵系统24的电动潜水泵22。基于 其所处的特定应用或环境，电动潜水泵系统24可以包括多个构件。通过示 例，电动潜水泵24包括浸没电机26，用于给潜水泵22提供能量。另外，电 机保险装置28可以位于浸没电机26与潜水泵22之间以保护浸没电机26的内部电机润滑油并且平衡内外压差。在图示的示例中，电动潜水泵系统24设计用于放置在井30中，井30 形成在含有希望的产品流体(例如烃基流体)的地层32中。电动潜水泵系 统24实际上布置在钻入到地层32内的井眼中。在一些实施例中，井眼套管 36用于给井眼34加衬。多个开口或孔38形成通过井眼套管36以容纳在周围 的地层32与井眼34之间的流体流。电动潜水泵系统24通过适当的放置(配置)系统40放置在井眼34内。 基于应用，放置系统40可以包括电缆、生产管道、盘管、或其它适当的放 置系统。放置系统40通过连接器42连接到电动潜水泵22或泵系统24的另外 的适当构件。电力通过电缆44供给到浸没电机26。浸没电机26又向潜水泵 22提供动力，潜水泵22则通过泵入口46吸入流体。通过例如形成放置系统 40的管道，流体可以被泵送到希望的位置。图示的离心泵20以及电动潜水泵系统24是很多潜在的离心泵、泵送系 统以及泵送装置的示例。例如，离心泵20可以在很多类型的泵送装置(包 括生产装置、注入装置、流体输送装置、以及其它的泵送装置)中使用。 另外，基于具体的泵送装置和泵送环境，电动潜水泵系统24可以包括另外 的或可选的构件。如图2中图示的，离心泵20包括布置在外部泵外壳50内的至少一个泵 级并且通常是包括多个泵级48。每一个泵级48包括用于引导和定向流体流 的泵构件。如所图示的，在每一个泵级中的泵构件包括叶轮52和扩压器54。 叶轮52由适当的动力源旋转，例如浸没电机26，以便在箭头55的方向上通 过离心泵20泵送流体。每一个旋转叶轮52将流体从上游扩压器54移动到下 游扩压器54并通过下游扩压器54，然后进入到下一个叶轮内直到流体从离 心泵20排出。叶轮52利用叶片56，叶片56轮廓形成为当叶轮旋转时捕获流 体并在希望的方向上移动流体。扩压器54也包括叶片58，所述叶片58轮廓 形成为每一个扩压器将流体的流动从上游叶轮引导到紧挨着的下一个叶 轮直到流体从离心泵排出。叶轮叶片56和扩压器叶片58可以具有形成在泵级48内的二次流型。二次流型产生通过离心泵20的、相对于核心流的较低速度和较低能量流区 域。通常，较高能量的流体流区域直接从低能量流区域越过给定叶片。二 次流型形成液力损失从而降低了泵送效率。如图3中所示， 一个或更多通道60布置在选定的叶片56和/或58内。为 解释方便，图示在图3中的叶片是扩压器叶片58，但是这同样适用于叶轮 叶片56。叶片58分开相邻的连续流动通路62，且通道60在流动通路62之间 延伸通过或穿过叶片58。每一个通道60延伸成与二次流或低能量流区域66 连通。在此示例中，通道60从在流动通路62内的低能量流体流区域66延伸通过叶片到在下一个连续的流动通路62内的、在叶片的相对侧的较高能量 流体流区域68。所述一个或多个通道60允许少量流体从低能量区域66到达 叶片的相对侧，这导致液力损失减少。可以使用多种通道设计来减少液力损失。例如，在图3中示出的多个 通道60中的一个沿叶片的基部70布置并相对于基部一般较低。另一个图示 的通道60形成有相对于基部70具有延伸了更大距离的尺寸。例如，第二通 道60具有相对于叶片的经向(或纵向)距离72大25%的尺寸。根据通道60 形成在其内的泵构件，基部70可以是轮毂基部或罩基部。使用在给定的叶片中的通道60的数量也可以变化。如图4中所示的， 例如，单个通道60布置通过叶轮52之一的叶片56。所述一个或多个通道60 可以布置通过使用在给定的叶轮52和/或扩压器54中的单个叶片、选定的 叶片、或所有叶片。另外，在离心泵20内，通道60可仅仅在叶轮中使用、 仅仅在扩压器中使用或在叶轮和扩压器中均使用。如图5中所示，例如，单独的通道60布置通过扩压器54的每一个叶片 58。在此实施例中，通道60沿靠近扩压器54的轮毂74的叶片58的基部70布 置。轮毂侧通道定位成克服吸入/轮毂侧角分离，即二次流，所述二次流 会在泵级内形成液力损失。然而，基于叶轮的设计、叶片的轮廓、和泵送 效率参数可以使用另外的通道或其它通道构造。在图示的叶轮和扩压器中，通道60的几何形状和方位选择为能够砂型 铸造泵构件，且不需要后续的机加工。在砂型铸造过程中形成整个泵构件 即泵叶轮或泵扩压器的能力使得泵叶轮和泵扩压器的生产成本低廉，因为 避免了后续的形成通道60的制造过程，例如机加工过程。通道60的几何形状和方位设计成能够进行其中从砂芯移除叶片通道插入件而不会破坏砂 芯的砂型铸造过程。这允许整个泵叶轮52或泵扩压器54 (包括通道60)在 单个砂型铸造过程中形成。如图6中所示，每一个通道60沿叶片插入件拔 出角76定向。叶片插入件拔出角76根据叶轮52或扩压器54的设计选择，以 使得能够在砂型铸造过程中完全地移除叶片通道插入件。应该注意的是， 在一些泵构件形成应用中也可以使用除了砂型铸造技术之外的铸造技术。 使用包括具有定位成减少二次流的不利效应的通道的叶片的泵构件 提供了提高离心泵的泵送效率的成本低廉的方法。另外，通过沿适当的叶片插入件拔出角76定向通道，制造这些泵构件的成本也可以降低。泵构件的尺寸和形状以及泵构件叶片56、 58的数量和轮廓可以根据例如希望的离 心泵设计和离心泵所应用的环境而调整。而且，通道60的数量、位置和构 造可以根据叶片构造以及其它泵送参数而调整。因此，尽管上面仅仅经详细描述了本发明的几个实施例，本领域普通 技术人员将易于理解在没有本质上偏离本发明的教导的情况下可以做出 很多修改。因此，这些修改将包含在由权利要求限定的本发明的保护范围 之内。
权利要求
1、一种提高离心泵的性能的方法，包括步骤提供具有多个叶片的泵扩压器；和形成通过所述多个叶片中的一个或更多叶片的通道以使得少量的流体能够流过所述一个或更多叶片。
2、 根据权利要求l所述的方法，其中所述形成步骤包括将所述通道的 经向尺寸形成为通过叶片的经向长度的至少25%。
3、 根据权利要求l所述的方法，其中所述形成步骤包括在所述多个叶 片的每一个叶片内形成通道。
4、 根据权利要求l所述的方法，其中所述形成步骤包括沿叶片的基部 形成所述通道。
5、 根据权利要求l所述的方法，其中所述形成步骤包括将每一个通道 定向在叶片一侧上的低能量流区域与在叶片的相对侧上的高能量流区域 之间。
6、 根据权利要求l所述的方法，其中所述形成步骤包括将每一个通道 定向成使得能够进行砂型铸造从而将叶片通道插入件从砂芯移除不会干 扰砂芯。
7、 一种方法，包括步骤铸造具有多个叶片以及延伸通过所述多个叶片中的一个或更多叶片 的至少一个通道的离心泵，所述多个叶片布置成形成流体流动通路。
8、 根据权利要求7所述的方法，其中所述铸造步骤包括砂型铸造叶轮。
9、 根据权利要求7所述的方法，其中所述铸造步骤包括砂型铸造扩压器。
10、 根据权利要求7所述的方法，进一步包括步骤将所述通过叶片 的至少一个通道定向成从叶片一侧上的低能量流区域延伸到在叶片的相对侧上的高能量流区域。
11、 根据权利要求7所述的方法，其中所述铸造步骤包括形成通过一个或更多叶片的基部的至少一个通道。
12、 一种能够改进离心泵的性能的方法，包括步骤 提供具有多个叶片的泵叶轮；和形成通过所述多个叶片的一个或更多叶片的通道，从而所述通道的经向尺寸延伸通过叶片的经向深度的至少25%。
13、 根据权利要求12所述的方法，其中所述形成步骤包括在所述多个叶片的每一个叶片内形成通道。
14、 根据权利要求12所述的方法，其中所述形成步骤包括沿叶片的基 部形成通道。
15、 根据权利要求12所述的方法，其中所述形成步骤包括将每一个通 道定向在叶片一侧上的低能量流区域与叶片相对侧上的高能量流区域之 间。
16、 根据权利要求12所述的方法，其中所述形成步骤包括将每一个通 道定向成使得能够进行砂型铸造，从而将叶片通道插入件从砂芯移除不会 干扰砂芯。
17、 一种泵送系统，包括 浸没电机；和由浸没电机提供动力的潜水泵，所述潜水泵具有多个泵级，且每一个 泵级包括叶轮和扩压器，所述叶轮和扩压器中的至少一个形成有具有延伸 通过其的铸造通道的叶片。
18、 根据权利要求17所述的泵送系统，其中叶轮和扩压器中的每一个 包括多个叶片，所述通道定向成通过叶轮的每一个叶片以及扩压器的每一 个叶片。
19、 根据权利要求17所述的泵送系统，其中所述通道定向成使得能够 进行砂型铸造，从而将叶片通道插入件从砂芯移除不会干扰砂芯。
20、 根据权利要求17所述的泵送系统，其中所述通道定向在低能量流 区域与叶片相对侧上的高能量流区域之间。
21、 一种装置，包括泵构件，所述泵构件具有布置成形成流体流动通路多个叶片，所述叶 片中的一个或更多具有铸造通道，每一个铸造通道在由叶片分开的流体流 动通路之间延伸通过叶片。
22、 根据权利要求21所述的装置，其中所述泵构件包括泵叶轮。
23、 根据权利要求21所述的装置，其中所述泵构件包括泵扩压器。
24、 根据权利要求21所述的装置，其中所述多个叶片中的所有叶片具 有通过其的通道。
25、 根据权利要求21所述的装置，其中所述泵构件是砂型铸造件。
26、 根据权利要求21所述的装置，其中所述通道布置成通过叶片的轮 毂基部。
27、 根据权利要求21所述的装置，其中所述通道覆盖叶片的经向范围 的至少25%。
全文摘要
本发明提供了一种减少二次流效应的泵送系统和方法，该技术以低廉的成本提高了离心泵的泵送效率。离心泵包括泵构件，该泵构件具有限定流体流动通路的一个或更多叶片。通过形成通过至少一个叶片，从而通道的端部暴露于低能量流、即二次流区域。每一个通道使得少量流体从低能量区域流到叶片的相对侧，以减少二次流效应以及提高泵送效率。
文档编号F04D29/44GK101251127SQ200810009848
公开日2008年8月27日 申请日期2008年2月20日 优先权日2007年2月20日
发明者大卫·厄斯林格 申请人:普拉德研究及开发股份有限公司