双盘和双缸的泵的制作方法

本发明涉及泵领域，特别是用于高压和高输出的泵送，特别是用于范围在几百米到几千米的钻井作业。

在碳氢化合物生产领域中，目前发现井孔需要达到越拉越深的深度，这意味着在越来越高的喷射压力下工作。因此，石油行业中的石油公司和服务业需要在非常高的压力下的泵(例如用于喷射钻井泥浆)以达到所需的深度。这些泵还必需是可靠的、经济的、灵活的和紧凑的，以便满足能源部门越来越严格的要求。

总的来说，由曲轴驱动的泵在所有的行业领域中最为普遍：设备、石油、天然气和农产品工业、汽车行业、建筑(供暖、井、空调、水泵等)，并且更具体地用于处理水和废物(水网络和排水系统)。迄今为止，这种类型的泵已包括有限数量的活塞(大约5个)，因为曲轴的尺寸限制，曲轴意外地经受高应力和可能在输送侧发生的压力的突然变化。因此，这些泵在其功率、其压力/输出配对(受由曲轴的正弦压力产生的“水锤”限制)、其重量、其效率和其寿命方面有限制。此外，它们不提供具有可变排量的可能性，并因此缺乏使用灵活性。

另一种容积式泵技术是筒式活塞泵，也称为摆盘泵(wobble-platepump)或摆动盘式泵(swashplatepump),其涉及盘和筒体。对于这种类型的泵，活塞以圆形分布，与活塞在其中对齐的曲轴泵不同。设计有盘和缸的泵使用摆盘系统或摆动盘系统运行，其中，盘一个接一个地致动各个活塞。当一个活塞处于吸入阶段时，相对的活塞处于输送模式，从而在泵上游和下游提供了恒定的流量。由缸引导的活塞的位置的分布提供了当轴被马达驱动旋转时负载的逐渐的分布。

主要用于低压力和低输出的泵送(主要用于泵送液压油)，这一类型的泵提供许多优点：

-优异的重量/功率比

-非常好的质量/价格比

-有利的机械和容积效率

-通过调整盘的角度来具有可变排量的可能性。

一般来说，筒式活塞泵有三种主要设计：

-固定缸泵(图1)：在泵1的该构造中，其中，缸是固定的，倾斜盘/摆动盘2旋转(由轴5驱动)，以产生活塞3在其衬套4中的运动。活塞3与盘2之间的连接则由抵靠盘2摩擦的球接头滑垫提供。这里的优点是各旋转部件具有非常低的惯性。

-旋转缸摆动盘泵(图2)：在泵1内，盘2被固定，并且承载活塞3的缸6旋转，从而引起活塞3在其衬套4中的运动。活塞3-盘2连接以与第一构造相同的方式提供。这种设计的优点是易于使摆动盘的角度可调节，因此可以有可变的排量。相反，由于使缸和所有活塞旋转，所以各旋转部件的惯性显著增加。

-摆动盘泵：在这种设计中，缸是固定的，并且有两个盘；倾斜的第一盘旋转，并且仅将摆动运动传递到第二盘。因此，可例如使用通过球接头连接部来连接到活塞和盘的连杆来将活塞连接到第二摆动盘而不需要摩擦元件。因为没有摩擦元件(并且偶然地可在地热应用场合中找到一些摩擦元件)，这是唯一适用于高压泵送的设计。它还提供了优异的机械效率。

在这种筒式活塞泵的情况下，活塞的数量和直径以及盘的角度确定了泵的期望输出。实际上，当泵运行时，活塞轮流处于高压下，然后处于大气压下，使得缸/活塞组件在盘上施加负载，其模量(module)在空间上是不均匀的。具体地，在吸入管(大气压力)方面，负载相对较低，而在输送管方面，负载最大。

此外，当在非常深的钻井结合高压且高流量(高传输)的领域中使用筒式活塞泵时，无论它们具有旋转的缸、摆盘还是摆动盘，大量活塞施加的力可能导致在盘和部件之间的机械连接部上相当大的负载，在极端条件下这会导致盘的变形或连接部的断裂。此外，活塞和盘之间的连接(部)、例如通过球接头滑垫提供的连接(部)需要设计成具有最小的摩擦。

施加至盘的这种负载的不平衡会在盘上和系统的机械连接部上产生很大的力，这导致较笨重和较大的部件使泵消耗更多能量。另外，如果施加的负载太大，活塞和盘之间的连接(部)，例如使用球接头滑垫的连接(部)可能是无法设计的。

还已知的是专利cn103696920，其描述了一种液压泵，包括两个盘和两个缸组件，每个刚组件具有一组活塞。在该设计中，盘定位在泵的相对端处，并且缸在中间，因此泵具有仅一个吸入部和一个输送部。然而，这种泵需要独立地确定每个盘的尺寸，这在高压且高输出的应用场合中可能是困难的。另外，各种泵元件的这种构造不允许共同调节盘的角度(倾斜度)。

为了克服这些缺点，本发明涉及一种具有双吸入部/输送部的双筒体双盘泵，每个筒体——盘——吸入部——输送部组件的元件沿驱动轴分布，以便减少盘和不同的机械连接部上的应力，从而降低破裂的风险。

根据本发明的设备

本发明涉及一种筒式活塞泵，包括至少一个驱动轴、第一泵送组件和第二泵送组件，每个泵送组件由包括至少一个盘、缸体、吸入管和输送管的元件形成，所述缸体包括周向分布的至少两个压缩室，至少两个活塞分别在所述组件中的每个组件的所述缸体的所述压缩室内平移运动，所述两个组件中的每个组件的所述盘相对于所述驱动轴的旋转轴线以一角度倾斜，所述驱动轴在所述两个组件中的每个组件的所述盘和所述缸体之间产生相对旋转运动。

根据本发明，所述第二组件的所述元件关于垂直于所述驱动轴的旋转轴线的平面相对于所述第一组件的所述元件对称分布，并且所述两个组件的所述盘在所述对称平面处连接至彼此。

有利地，同一个组件的所述吸入管和输送管可相对于所述驱动轴的轴线对称地定位。

根据本发明的一个实施例，所述两个组件的所述盘可以形成为单个单元。

根据一个实施例选项，所述两个组件的所述盘可以通过穿过所述对称平面的连接装置连接至彼此。

根据一个实施例，所述连接装置可包括枢转连接件，所述枢转连接件定位在基本上位于所述两个盘的周缘处的点处。

根据本发明的实施例的一个替代形式，所述相对旋转运动可以是所述组件中的每个组件的所述盘的旋转运动。

根据本发明的实施例的另一替代形式，所述组件中的每个组件还可包括摆动盘，所述组件中的每个组件的所述摆动盘枢转连接到所述同一组件的所述旋转盘。

根据本发明的另一实施例选项，所述相对旋转运动可以是所述组件中的每个组件的所述缸体的旋转运动。

根据一个实施例，所述组件中的每个组件的所述盘相对于所述驱动轴的轴线的倾斜角度的绝对值可以包括在70°至90°之间。

有利地，所述泵可包括用于控制所述组件中的每个组件的所述盘相对于所述驱动轴的轴线的角度倾斜度的装置。

此外，本发明涉及所述筒式活塞泵用于钻井作业的用途，特别是用于将钻井泥浆注入到钻好的井筒中。

附图说明

在参考下述附图阅读以下对非限制性示例性实施例的描述时，根据本发明的设备的其它特征和优势将变得清晰。

已描述过的图1示出了根据现有技术的固定缸摆动泵。

已描述过的图2示出了根据现有技术的旋转缸摆动盘泵。

图3示出根据本发明的第一实施例的泵。

图4示出根据本发明的第二实施例的泵。

具体实施方式

本发明涉及一种筒式活塞泵。筒式活塞泵用于借助多个活塞的线性位移来泵送流体(例如水、油、气、钻井泥浆等)。这种类型的泵具有紧凑、具有有利的机械和容积效率，以及具有优异的重量/功率比的优点。根据本发明的筒式活塞泵可以是固定缸泵、旋转缸泵或摇摆式泵。

根据本发明的筒式活塞泵通常包括壳体，并且壳体内包括：

-驱动轴：该驱动轴通过外部能量源相对于壳体旋转驱动，外部能量源特别是驱动机器(例如热机或电机)，特别是借助变速器(例如变速箱)；

-第一组泵送元件，包括至少一个盘、缸体(称为缸)、吸入管和输送管，和第二组泵送元件，至少包括与第一泵送组件相同的元件，这些组/组件中的每个组/组件的元件沿着驱动轴分布。在传统方式中，缸体包括周向地分布的至少两个压缩室(也称为衬套)(换言之，压缩室以圆形布置)，并且至少两个活塞分别在压缩室中平移运动，活塞在压缩室内的平移运动实现了对流体的泵送。每个组件的盘可以是基本上呈盘形的形式。然而，盘可具有任何形状。只是压缩室(和活塞)布置在圆周上(以圆形布置)。此外，在传统方式中，待泵送通过其中一个组件的吸入管的流体进入该组件的压缩室，被压缩并且接着通过该组件的输送管被从泵中输送。

此外，根据本发明：

-两个组件中的每个组件的盘相对于所述驱动轴的旋转轴线以一角度倾斜。盘的角度倾斜影响活塞在压缩室中的行程，从而确定泵的排量；

-所述驱动轴在所述两个组件中的每个组件的所述缸体和所述盘之间引起相对旋转运动。因此，根据本发明，驱动轴也正可以使盘与使缸旋转一样旋转

-第二组件的个元件的分布关于垂直于所述驱动轴的旋转轴线的平面相对于第一组件的各元件的分布是对称的，两个组件的盘在所述对称平面处相互连接。因此，根据本发明的筒式活塞泵从一端到另一端包括第一吸入和输送管、第一缸、第一盘、第二盘、第二缸和第二吸入和输送管，它们都被驱动轴穿过。

因此，根据本发明，每个泵送组件的盘以绝对值相同的角度倾斜，并且面对彼此。通过每个缸体的每个压缩室中的活塞的平移运动施加到每个盘的力具有相同的范数但是相反的方向。由于两个组件的盘彼此连接，所以这种结构使得可以减小由盘和由盘-活塞机械连接部所承受的轴向负载。

有利地，每个泵送组件的吸入管和输送管可相对于驱动轴的轴线对称定位，或者换言之，同一组件的吸入管和输送管相对于(跨过)驱动轴面对彼此。因此，可以更容易地平衡轴向力在盘上的分布。

根据本发明的实施例的第一替代形式，驱动轴使两个组件中的每个组件的盘旋转，旋转运动被认为是相对于泵的壳体的。因此，该第一替代形式描述了缸在其中固定的泵。根据该替代形式，给定的组件的旋转盘相对于驱动轴以与另一组件的旋转盘相同的倾斜角倾斜，每个盘还被驱动轴转动。

根据本发明的实施例的第二替代形式，驱动轴使两个泵送组件中的每个组件的缸体或缸旋转，旋转运动被认为是相对于泵的壳体的。因此，该第二替代形式描述了旋转缸摆动盘泵。在该替代形式中，每个泵送组件的盘固定并以绝对值相同的倾斜角度倾斜。对于该替代形式，每个泵送组件的旋转缸经由活塞与它们相应的泵送组件的盘之间的连接引起活塞在它们各自的压缩室中的平移运动。

根据本发明的实施例的第三替代形式，两个泵送组件中的每个组件包括彼此平行的至少两个盘(并且因此两者在相同的时刻以相同的角度倾斜)：由驱动轴转动的旋转盘和由旋转盘摆动的摆动盘，该摆动盘相对于旋转盘围绕旋转盘的轴线枢转连接。因此，根据该替代形式，旋转盘仅将摆动运动传递到摆动盘而不传递旋转运动。根据该设计，给定的泵送组件的每个压缩室的活塞由该组件的摆动盘驱动，例如借助连杆(连杆使用球接头连接部以连接摆动盘和活塞，从而将摆动运动转换成活塞的平移运动)，并且活塞在压缩室内的平移实现了对流体的泵送。根据本发明的该替代形式，旋转盘可以借助带销钉的球接头(指状球接头)由驱动轴驱动，带销钉的球接头的位置确定两个盘(旋转盘和摆动盘)相对于驱动轴的倾斜角度。将会想到的是，带销钉的球接头是两个元件(在这种情况下是驱动轴和旋转盘)之间的连接，其具有四个连接(自由)度和两个相对运动(自由)度；只有两种相对旋转是可能的，三种平移运动和最后的旋转连接。通常，它是设有防止其中一种旋转的销钉(钉状物、指状物)的球接头。

根据可应用于上述替代形式中的任一种的本发明的一个实施例，两个组件的盘形成为单个单元。这使得可以降低两个盘之间的接触的脆弱性，并且因此提高根据本发明的泵的可靠性。

根据可应用于上述替代形式中的任一种的本发明的一个实施例，两个组件的盘通过连接装置连接至彼此。有利地，连接两个组件的盘的连接装置包括枢转连接件，该枢转连接件定位在基本上位于两个盘的周缘处的点处。传统上，枢转连接件由有利于元件的相对运动的滑动轴承或滚动轴承形成。该枢转连接件允许调节每个泵送组件的盘的倾斜度。较佳地，连接两个组件的盘的连接装置除了枢转连接件之外还包括至少一个可变长度的间隔元件，该间隔元件定位成从而加强由通过枢转连接件连结在一起的两个倾斜的盘形成的组件。

有利地，每个组件的一个或多个盘的角度倾斜通过控制盘的倾斜度可连续地调节，由此实现了可变的排量。具体地，盘的角度倾斜影响活塞的行程。因此，根据该替代形式的泵由于单独的排量的连续变化而提供了良好的灵活性。此外，根据实施例的该第四替代形式的泵允许泵的逐步操作：例如，在启动时，倾斜角度可以是较小的，并且随后可以根据期望的条件(流体吞吐量和压力)而增大。这使得可以提高泵的可靠性。根据一个示例性实施例，用于控制盘的倾斜度的装置与连接两个泵送组件的盘的连接装置相互作用。根据本发明的一个实施例选项，其中，连接装置包括如上所述的枢转连接件和可变高度间隔件元件，用于控制盘的倾斜度的装置与用于调节间隔件元件的高度的装置协配，以增大或减小盘之间的间距。根据本发明的一个实施例选项，用于控制盘的倾斜度的装置由蜗杆提供。

根据本发明的一个实施例，根据本发明的泵可以在每个缸体中包括多个活塞，其数量在三到十五之间，较佳地在五到十一之间。因此，大量活塞提供了泵上游和下游的连续流动。

根据可以应用于上述任何一个替代形式的本发明的一个实施例，每个泵送元件组件的(一个或多个)盘(在第一替代形式的情况下为旋转盘，在第二替代形式的情况下为固定的摆动盘，或者在第三替代形式的情况下为旋转盘和摆动盘)的倾斜角度相对于驱动轴的轴线其绝对值包括在70°到90°之间。换言之，一个组件中的一个或多个盘相对于第一泵送组件和第二泵送组件的对称平面在0°到20°之间倾斜，而另一个组件中的一个或多个盘相对于该相同的对称平面在-20°到0之间倾斜。

图3以非限制性说明的方式示出了穿过根据本发明的一个实施例的缸/盘摆动泵的驱动轴的旋转轴线的截面。根据所示出的该实施例的泵1是旋转缸摆动泵。该泵包括驱动轴12，驱动轴12安装成在壳体(未示出)中旋转。驱动轴12的旋转由未示出的外部源、例如电机和变速箱实现。泵1包括两个泵送组件，这两个泵送组件关于垂直于轴的旋转轴线的对称平面相对于彼此对称分布。第一组件(或第二组件)包括相应的固定的盘2(或3)、旋转缸(或缸体)4(或5)、吸入管8(或9)以及输送管10(或11)。在该图中对于每个缸体示出了两个活塞6、7，这些活塞布置在它们相应的压缩室内并且通过球接头滑垫连接到它们相应的盘。驱动轴12驱动每个泵送组件的缸4、5。每个泵送组件的盘相对于垂直于驱动轴的旋转轴线的平面以绝对值相同的倾斜角度倾斜。根据本发明的该实施例，每组泵送元件的固定的盘2、3通过枢转连接件13并且经由间隔元件14相互连接，间隔元件14的长度可以是可变的。因此，由于这些盘直接面向彼此并且经受相同但方向相反的应力，因而清楚的是盘上的和盘—活塞机械连接件上的轴向负载减小。

图4示出了如图3所示的泵的替代形式。具体地，根据本发明的泵的该非限制性示例性实施例中的泵另外包括用于控制每个泵送组件的盘15的角度倾斜的装置，其呈控制可变长度间隔件元件的蜗杆的形式。

本发明还涉及根据本发明的泵用于钻井作业的用途，特别是用于将钻井泥浆注入到钻好的井筒中。具体地，由于根据本发明的泵使得能够平衡轴向负载的分布，所以可以将根据本发明泵的尺寸设定为能够承受高压和高输送输出量。具体地，轴向负载分布中的这一改进使得可以增加活塞的数量以实现期望的输出量，并且以更小的径向尺寸实现(活塞数量更大和直径更小)。例如，根据本发明的泵的尺寸可以设计成在高达1500巴(bar)、即150mpa的量级的压力下作业。此外，根据本发明的泵的尺寸可以设计成以30至600m³/h的范围内变化的输送输出量(流量)下作业。