用于改善泵送系统中流动的装置和系统的制作方法

专利名称：用于改善泵送系统中流动的装置和系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及用于改善泵送系统中流动的装置和系统。
背景技术：
离心泵被用于多种用途，包括有关井的用途。例如，离心泵被用在
部署于井眼中的电动潜油(submersible)泵送系统中，以产生或者移动 流体。离心泵被构造成具有多组交替的叶轮和扩散器，用于使得流体从 泵的入口流到出口。叶轮通过轴被转动并且经由泵叶轮导叶向泵送流体 施加运动。当流体从每个叶轮流动通道经过时，流体流经扩散器通道到 达下一个叶轮以及最终到达出口 。
许多离心泵设计由于相当大的流体分离损失而具有无效性。例如， 具有径向导叶配置的离心泵会遭受连接导叶通道的管道中的过度扩散。 过度扩散会在扩散器叶片和叶轮叶片之间的流动通道上产生，而过度扩 散也会在从扩散器尾缘到通往扩散器出口的管道之间的过渡区域中产 生。另一个易受到过度扩散影响的位置是从叶轮入口管道的入口到叶轮 叶片前缘的过渡区域。
在一些径向型级中，扩散器叶片的尾缘被形成厚且钝的元件，用于 控制扩散器流动通道内部的过度扩散，然而这种方案导致在正好处于扩 散器尾缘下游的管道中产生大量的扩散和分离。 一个选择性方案用于使 扩散器尾缘形成为相对薄的元件，从而使管道过度中的面积改变最小， 然而这种方案导致在扩散器通道中过度的流体扩散。

实用新型内容
大体上，本实用新型提出一种用于提高离心泵效率的系统和方法。 一方面，本实用新型提出一种装置，其特征在于，所述装置包括离心 泵，所述离心泵包括多个叶轮；以及多个扩散器，每个扩散器是具有多 个扩散叶片的径向型扩散器，所述扩散叶片具有尾缘，所述尾缘成弧形经 过至少30度进入对应的扩散排出管道。优选地，所述尾缘成弧形经过大约90度进入对应的扩散排出管道。 优选地，每个叶轮包括多个叶轮叶片，所述叶轮叶片成弧形经过至
少30度进入对应的叶轮入口管道。
优选地，所述叶轮叶片成弧形经过大约90度进入对应的叶轮入口管道。
另一方面，本实用新型提出一种系统，其特征在于，所述系统包括
潜油电机；以及由潜油电机驱动的潜油泵，所述潜油泵包括多个径向型 扩散器，每个扩散器具有包括尾缘的扩散叶片，所述尾缘成弧形经过至 少30度进入对应的扩散排出管道。
优选地，每个扩散器具有包括成弧形经过至少60度进入对应的扩散 排出管道的尾缘的扩散叶片。
优选地，每个扩散器具有包括成弧形经过大约90度进入对应的扩散 排出管道的尾缘的扩散叶片。
优选地，潜油泵包括多个叶轮，每个叶轮具有叶轮叶片，所述叶轮 叶片成弧形经过大约90度进入对应的叶轮入口管道。
优选地，所述系统还包括电机保护器，所述电机保护器部署在潜油 电机与潜油泵之间。
优选地，每个尾缘出口处的流动面积与对应扩散排出管道入口处的 流动面积大体相同。
在一方面，本实用新型提出一种装置，其特征在于，所述装置包括离 心泵，所述离心泵包括多个叶轮，每个叶轮是具有多个叶轮叶片的径 向型叶轮，所述叶轮叶片成弧形经过至少30度进入对应的叶轮入口管 道；以及多个扩散器。
每个扩散器包括多个扩散叶片，所述扩散叶片成弧形经过至少60 度进入对应的叶轮入口管道。
优选地，每个叶轮包括成弧形经过至少30度进入对应的叶轮入口管 道的多个叶轮叶片。
优选地，叶轮叶片成弧形经过至少90度进入对应的叶轮入口管道。
5离心泵包括扩散器，该扩散器优化了扩散器上的面积变化(area schedule)以扩散整个流体速率并恢复动压头，同时使流动分离最小。 每个扩散器包括至少一个具有尾缘的扩散叶片，该尾缘延伸经过至少30 度进入扩散排出管道。进入扩散排出管道的过渡部排除了任何面积上的 突然改变以及减少了流体分离，这又提高了泵的效率。在一些实施例中， 每个叶轮包括至少一个叶轮叶片，所述叶轮叶片延伸经过至少30度进入 叶轮入口管道。这种叶轮过渡部也减少了流体分离以及提高了泵的效率。


下面参考附图描述本实用新型的某些实施例，其中类似的附图标记 代表类似元件；以及
图l是根据本实用新型实施例的井系统的前视图，该井系统具有部 署在井眼中的离心泵；
图2是根据本实用新型实施例的在图1的井系统中示出的离心泵的 局部截面图3是根据本实用新型实施例的用在离心泵中的扩散器的示意性视
图4是显示根据本实用新型实施例的用于图3所示扩散器的面积变 化的曲线图5是根据本实用新型实施例的离心泵的一部分的截面图6是根据本实用新型实施例的叶轮的单一流动通道的放大截面图。
具体实施方式
在以下描述中，众多细节被提出用于提供本实用新型的理解。然而本 领域技术人员应当理解的是，本实用新型没有这些细节也可以被实施，并 且从所述实施例中可以进行多种变形或改进。
本实用新型基本上涉及一种能够用于多种用途的离心泵。离心泵被构 造成具有扩散器和/或叶轮，所述扩散器和/或叶轮不易受到过度扩散以及 由此引起的流体分离的影响。例如，该离心泵可为在井相关用途中使用的 潜油泵的形式。例如，离心泵可以被部署在电动潜油泵送系统中，该电动 潜油泵送系统用于在井眼中泵送液体。泵扩散器和/或叶轮的独特设计减小了流体分离损失以及提高了在潜入及其它用途中的离心泵的效率。
图1所示为部署在井相关用途中的离心泵30的示例。然而，所示实施 例仅为从离心泵30的改进设计中受益的多个用途及系统中的一个示例。再 次参考图1，离心泵30被显示为部署在潜油泵送系统32例如电动潜油泵送 系统中。潜油泵送系统32根据特定的井用途或者其使用的环境而包括多个 部件。除了离心泵30之外所使用的元件的示例为至少一个潜油电机34以 及一个或多个电机保护器36，所述潜油电机34和电机保护器36连接在一 起用于形成潜油泵送系统。
在所示实施例中，潜油泵送系统32被设计成部署在地层40内部的井 38中，所述地层40包含所需要的生产流体，例如烃基流体。地层40可通 过井眼42而到达，该井眼42钻入到地层40中并且从井口 44向下延伸。 井眼42可衬有井眼套管46,该井眼套管46打穿形成多个穿孔48，所述穿 孔48使得流体能够在周围地层40和井眼42之间流动。
潜油泵送系统32通过运送系统50部署在井眼42中，该运送系统50 可具有多种配置。例如，运送系统50可包括管52，例如螺旋管或生产管， 所述管52通过适当的连接器54连接到潜油泵送系统32。通过动力线缆56 向至少一个潜油电机54提供动力，所述动力线缆56沿着运送系统50和潜 油泵送系统32向下延伸以便与潜油电机34连接。潜油电机34又向离心泵 30提供动力，所述离心泵30可通过泵吸入口 58而抽吸流体。在离心泵30 内部，多个叶轮旋转从而泵送(即，产生)经过管52而到达所需要位置例 如在地表60的收集位置的流体。然而，多种其它元件和系统配置可用于执
行多种类型泵送操作。
大体参考图2，显示了离心泵30的一个实施例，该离心泵30具有多个 泵级62，所述泵级62沿着离心泵30长度的主要部分分布。图2中，仅显 示出几个泵级62以便于解释。离心泵30还包括外壳64，该外壳64为管状 形状并且在第一泵端部66和第二泵端部68之间延伸。轴70基本上沿着离 心泵30的轴线72可旋转地安装在外壳64的内部。
每个泵级62包括扩散器74和叶轮76。在该实施例中，离心泵30为具 有径向型叶轮和扩散器的径向型泵。(径向型叶轮和扩散器被构造成流体 流动的主要方向基本上是相对于泵旋转轴线的径向流动方向。)大体上， 叶轮76与轴70 —同转动并且可以通过例如键以及键槽转动地固定于轴70上。旋转叶轮76向流经离心泵30的流体施加运动并且使流体从一个级62 移动到下一级，直到流体通过第一泵端部66的出口流动通道78而被排出。 扩散器74转动地固定在外壳64内并且用于将流体从一个叶轮76引导到下 一叶轮。
在图3中，示意性地显示了扩散器74的一个实施例，该扩散器74被 构造成可防止过度扩散以及由此引起的流体分离，所述流体分离会产生相 当大的泵送损失。如图所示，扩散器74包括扩散通道80，并且典型地包括 多个扩散通道80。各个扩散通道80至少部分地由导叶或叶片82限定，所 述导叶或叶片82之间形成通道。此外，每个扩散叶片82包括前缘84，该 前缘84接收来自于下一个邻近叶轮76的流体。流动流体沿着扩散通道80 移动到尾缘86以及随后进入到扩散排出管道区域88(图3中基本上设置在 尾缘86上方)。
扩散叶片尾缘86限定扩散通道尾缘过渡部90，该过渡部90朝着扩散 排出管道88扭转或成弧形。扩散通道尾缘过渡部90的设计所形成的形状 能够导致在从扩散叶片82的尾缘86向扩散排出管道88移动的面积变化最 小。这消除了流体流经尾缘过渡部90以及进入扩散器排出管道88时过度 扩散以及随后的流体分离。此外，各个扩散叶片82被设计成当流体流经通 道时提供受控的扩散。对应地，扩散器74能够扩散整个流体速率以及恢复 动压头，同时使流动分离降到最低。
尾缘86的扩散通道尾缘过渡部90形成有弧形区域92，该弧形区域92 可以使各个扩散通道80朝向扩散排出管道88成弧形或扭转，从而消除任 何显著的面积变化。如图4中以图表方式显示的面积图94所示，当各个扩 散通道80的尾缘过渡部90过渡到对应扩散排出管道88的入口时，产生最 小的面积变化或者没有面积变化。区域图94中的点96显示了过渡区域以 及缺少任何显著的面积变化。由此，当流体从各个扩散叶片82的尾缘86 流到临近的扩散排出管道88时，发生相对较小的扩散，由此提高了泵送效
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如上所述，过度扩散以及由此引发的流体分离的减少可以通过构造具 有尾缘的扩散器74而实现，所述尾缘向着扩散排出管道88成弧形/扭转， 从而减少该过渡区域内的面积改变。所需的流体分离的减少可通过构造各 个扩散器74而实现，其中各个扩散叶片82的尾缘86弯曲或者延伸经过至
8少30度进入到对应的的扩散排出管道88中，如图5中的角度98所示。在 其它实施例中并且根据扩散叶片82的配置，流体分离的可能性可通过使尾 缘86沿着弧形延伸经过至少60度进入对应的扩散排出管道88而进一步减 小，如角度100所示。此外，扩散器74的一些实施例能够通过经过大约90 度进入对应扩散排出通道88形成尾缘86的弧形(如角度102所示)而获 到相当大的流体分离减少、并且在一些情况下获得流体分离的完全减少。 例如，图3中所示的扩散器74使用了过渡部90，其中尾缘86延伸经过大 约90度进入扩散排出管道88的入口 。
参考图5和图6，通过使叶轮76采用类似的构造技术而使得过度扩散 和由此引起的液体分离得以减少。在许多传统叶轮设计中，从叶轮入口管 道到叶轮导叶前缘发生相当大的面积增加，例如60%或更多。这个大的面积 增加通常导致巨大的流体分离损失。如图所示，各个叶轮76包括一个或多 个叶轮导叶或叶片104，所述导叶或叶片104将流体流从叶片入口管道106 引导至下一相邻扩散器74。
各个叶轮叶片104包括前缘108和后缘110，流体通过前缘108被接收， 并且流体沿着尾缘110被排到下一相邻扩散器。在所示实施例中，叶轮叶 片104的前缘108被设计成沿着弧线朝向叶轮入口管道106过渡。这确保 了从叶轮入口管道106进入各个叶轮叶片前缘108的更小的面积增加。与 扩散器74 —样，流体分离的显著减少通过构造各个叶轮76而得以实现， 其中各个叶轮叶片104的前缘108成弧形或者延伸经过至少30度进入对应 叶轮入口管道102中，如图5和6中的角度112所示。在其它用途中，流 体分离的可能性通过使前缘108沿着弧形延伸经过至少60度进入对应叶轮 入口管道106中而得以实现，如角度114所示。此外，叶轮76的一些实施 例可通过使经过大约90度进入对应叶轮入口管道106 (如角度116所示) 形成前缘108的弧形从而进一步减少流体分离的可能性。应当认识的是， 图5中所示的扩散器74和叶轮76为能够部署在离心泵30的外壳64内的 径向型扩散器和叶轮。
扩散器74和/或叶轮76的设计减少了泵送区域内的过度扩散，该过度 扩散会引起流体分离以及由此导致的泵送效率的损失。然而，扩散器和叶 轮两者的具体尺寸、结构、材料以及配置可以根据整个泵送系统的设计、 泵送的流体、泵送系统的使用环境以及其它设计参数而进行调整。此外，更有效的离心泵可用于多种泵送系统(如电动潜油泵送系统)中以及多种 用途中。
由此，尽管仅有少数本实用新型的实施例被详细描述，但是本领域技 术人员容易理解的是，可以进行多种变形而不实质地脱离本实用新型的教 示。这种变形将包括在如权利要求中所限定的本实用新型范围之内。
权利要求1.一种装置，其特征在于，所述装置包括离心泵，所述离心泵包括多个叶轮；以及多个扩散器，每个扩散器是具有多个扩散叶片的径向型扩散器，所述扩散叶片具有尾缘，所述尾缘成弧形经过至少30度进入对应的扩散排出管道。
2. 如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述尾缘成弧形经过大 约90度进入对应的扩散排出管道。
3. 如权利要求1所述的装置，其特征在于，每个叶轮包括多个叶轮 叶片，所述叶轮叶片成弧形经过至少30度进入对应的叶轮入口管道。
4. 如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述叶轮叶片成弧形经 过大约90度进入对应的叶轮入口管道。
5. —种系统，其特征在于，所述系统包括 潜油电机；以及由潜油电机驱动的潜油泵，所述潜油泵包括多个径向型扩散器，每 个扩散器具有包括尾缘的扩散叶片，所述尾缘成弧形经过至少30度进入 对应的扩散排出管道。
6. 如权利要求5所述的系统，其特征在于，每个扩散器具有包括成 弧形经过至少60度进入对应的扩散排出管道的尾缘的扩散叶片。
7. 如权利要求5所述的系统，其特征在于，每个扩散器具有包括成 弧形经过大约90度进入对应的扩散排出管道的尾缘的扩散叶片。
8. 如权利要求5所述的系统，其特征在于，潜油泵包括多个叶轮， 每个叶轮具有叶轮叶片，所述叶轮叶片成弧形经过大约90度进入对应的叶轮入口管道。
9. 如权利要求5所述的系统，其特征在于，还包括电机保护器，所述电机保护器部署在潜油电机与潜油泵之间。
10. 如权利要求5所述的系统，其特征在于，每个尾缘出口处的流 动面积与对应扩散排出管道入口处的流动面积大体相同。
11. 一种装置，其特征在于，所述装置包括 离心泵，所述离心泵包括多个叶轮，每个叶轮是具有多个叶轮叶片的径向型叶轮，所述叶轮 叶片成弧形经过至少30度进入对应的叶轮入口管道；以及多个扩散器。
12. 如权利要求1]所述的装置，其特征在于，每个扩散器包括多个 扩散叶片，所述扩散叶片成弧形经过至少60度进入对应的叶轮入口管道。
13. 如权利要求ll所述的装置，其特征在于，每个叶轮包括成弧形 经过至少30度进入对应的叶轮入口管道的多个叶轮叶片。
14. 如权利要求ll所述的装置，其特征在于，叶轮叶片成弧形经过 至少90度进入对应的叶轮入口管道。
专利摘要提供一种用于提高离心泵效率的技术。离心泵包括扩散器，扩散器优化了扩散器上的面积变化以扩散整个流体速率并恢复动压头，同时使流动分离最小。每个扩散器包括从扩散叶片进入到扩散排出管道的改进的过渡部，从而排除了面积的突然改变以及减少了流体分离。叶轮被构造成具有能够减少流体分离以及提高泵效率的叶轮过渡部。
文档编号F04D29/44GK201326579SQ20082013381
公开日2009年10月14日 申请日期2008年9月27日 优先权日2007年10月3日
发明者D·埃斯兰热 申请人:普拉德研究及开发股份有限公司