一种电励磁轴向输送气液混合介质的阵列式铁磁流体驱动泵

本发明涉及油气开采输运，具体涉及一种电励磁轴向输送气液混合介质的阵列式铁磁流体驱动泵。

背景技术：

1、随着工业水平与科学技术的发展，我国对于石油、天然气等一次能源的需求日益增加，逐渐从辽河、大庆等地上油田扩展到南海深水区、东海深水区、塔里木、长庆等深海和边远油田，对于油气的开采、输送和交易已经上升为国家能源战略和国家经济建设的重要组成部分，多相混输泵作为油气开采和输送过程中的关键设备，其效率、稳定性和可靠性关系到国民经济建设和国家能源布局，因此国家层面、社会层面、工程领域、学术领域都对于多相混输泵的性能给予极大的关注。

2、目前用于油气开采、输运的多相混输泵主要有螺旋轴流式多相泵、线性活塞泵、双螺旋气液混输泵，但螺旋轴流式多相泵由于高密度梯度导致气堵问题限制了输运条件，线性活塞泵和双螺旋气液混输泵又要求高加工精度且对于输运介质杂质(固体颗粒)敏感，因此目前的多相混输泵难以适应于输运介质成分复杂的运行工况，从国家战略层面和国民经济层面都亟需开发一种适应性强、可靠性高的新型多相混输泵。

3、铁磁流体是一种将纳米级铁磁性颗粒包裹表面活性剂后，均匀弥散在基载液中形成的胶体溶液，其虽属于固(磁性颗粒)-液(基载液)双相系统，但具有单相(磁性液体)性质，可通过磁性颗粒的磁响应特性进行外场诱导流动。由于其具有液体和磁性质，在流道中运动时表现出紧密贴合固体表面、自润滑和自密封特性，通过一定的控制方法可以实现低磨损、无泄漏、无接触式驱动。在输运过程中表现出不受输运介质成分影响、允许少量加工误差、结构简单、无机械驱动部件、维护周期长等优势，可较好的适应于油、气开采和输运过程。但却存在泵送背压低的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种电励磁轴向输送气液混合介质的阵列式铁磁流体驱动泵，其基于电磁学原理、铁磁流体密封原理、铁磁流体驱动原理、多级涡轮增压原理，利用电励磁技术控制铁磁流体环型周期运动，以活塞挤压输送介质流体实现流体增压，通过阵列分布磁力泵完成多轮增压过程达到高压力输送效果，适用于多相介质混输。

2、为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

3、一种电励磁轴向输送气液混合介质的阵列式铁磁流体驱动泵，包括铁磁流体驱动泵，铁磁流体驱动泵呈轴向阵列式分布，依次为第一级铁磁流体驱动泵、第二级铁磁流体驱动泵、第三级铁磁流体驱动泵……最后一级铁磁流体驱动泵；

4、铁磁流体驱动泵包括环形的驱动泵泵壳，驱动泵泵壳内形成泵腔，泵腔内分布有固定铁磁流体和运动铁磁流体；驱动泵泵壳上设有驱动泵进口和驱动泵出口；

5、驱动泵泵壳的外环设有外侧铁芯，以及与外侧铁芯配合的励磁线圈；

6、驱动泵泵壳的内环设有内侧铁芯，以及与内侧铁芯配合的励磁线圈；

7、固定铁磁流体依靠长期通电的外侧、内侧铁芯形成的固定磁场，实现固定在泵腔内部，阻碍介质流体流通，并与运动铁磁流体配合，挤压泵腔内部流体；

8、运动铁磁流体，依靠间歇性通电的外侧、内侧铁磁形成的旋转磁场，实现周期性圆周运动，并与固定铁磁流体配合，挤压泵腔内部流体；

9、以第一级铁磁流体驱动泵进口为轴向阵列式铁磁流体驱动泵进口，第一级铁磁流体驱动泵出口为第二级铁磁流体驱动泵进口，第二级铁磁流体驱动泵出口为第三级铁磁流体驱动泵进口，以此类推，且相邻铁磁流体驱动泵的铁磁流体运动方向相反，最后一级铁磁流体驱动泵出口为轴向阵列式铁磁流体驱动泵出口。

10、进一步的，所述驱动泵出口靠近固定铁磁流体设置。

11、进一步的，所述驱动泵进口和驱动泵出口沿轴向延伸设置。

12、进一步的，每个铁磁流体驱动泵中的运动铁磁流体设有两个以上，运动铁磁流体与固定铁磁流体在初始状态均匀分布在泵腔内。

13、进一步的，每个铁磁流体驱动泵中的运动铁磁流体设有两个。

14、进一步的，所述外侧铁芯沿圆周方向依次为外侧铁芯to，以及依次交替排布的外侧铁芯a、b、c；

15、所述内侧铁芯沿圆周方向依次为内侧铁芯ti，以及依次交替排布的内侧铁芯a、b、c；

16、外侧铁芯to以及内侧铁芯ti位置处长期通电，产生定向异性磁场，通过磁力束缚固定铁磁流体移动，形成固定铁磁流体；

17、外侧铁磁a、b、c位置和内侧铁磁a、b、c位置进行间歇性供电，产生周期性旋转磁场，旋转磁场通过磁拉力牵引运动铁磁流体，实现周期性圆周运动。

18、进一步的，间歇性供电时，每两个通电时间的范围有重叠的延时时间。

19、进一步的，间歇性供电的方式为脉动电流。

20、进一步的，所述外侧铁芯的内径与驱动泵泵壳外径相等；所述内侧铁芯的外径与驱动泵泵壳内径相等。

21、本发明的有益效果是：

22、1)本发明利用电励磁和多级增加原理，以泵送介质流体力学行为为基础，设计了一种电励磁轴向输送气液混合介质的阵列式铁磁流体驱动泵。由于该泵的泵送效果来源于泵腔体积缩小产生的增压效果，因此在输送多相介质时，不存在由于高密度差导致的气液分离或气堵问题，具有较宽的工作范围和较高的泵送可靠性、稳定性。

23、2)本发明驱动过程依靠磁场控制铁磁流体运动，无需机械传动部件，且由于铁磁流体的液态流动性质，可以很好的贴合固体表面，因此允许有少量的加工误差，降低了多相混输泵的加工门槛和机械损失。

24、3)本发明结构简单、紧凑，无复杂机械部件，运行寿命为铁磁流体的使用寿命，因此在一般工作环境下，本装置的维护周期长、检修方便、寿命长，可以降低维修、维护成本，增加经济收益。

25、4)本发明驱动介质成为主要依赖于铁磁流体的液体物理性质，当泵送介质与铁磁流体基载液没有互溶现象，可以实现多种混合比例的多相介质，因此该装置的工作性能不受含气率影响，提高了多相混输泵的适用工况。

26、5)本发明利用铁磁流体的磁流变效应、自密封性能、自润滑性能，以两股铁磁流体等速循环运动，挤压运动铁磁流体与固定铁磁流体之间的泵送介质，通过容积缩小达到介质增压目的，实现流体泵送。

27、6)本发明利用铁磁流体驱动泵轴向阵列式分布，实现多级增压效果。以第一级铁磁流体泵进口为轴向阵列式铁磁流体驱动泵进口，第一级铁磁流体泵出口为第二级铁磁流体泵进口，第二级铁磁流体泵出口为第三级铁磁流体泵进口，以此类推，且相邻压缩单元的铁磁流体运动方向相反，最后一级铁磁流体泵出口为轴向阵列式铁磁流体驱动泵出口，每一级进行一次流体增加，最终实现高压输送目的。

28、7)本发明利用电励磁技术实现铁磁流体周期性圆周运动。在内外侧励磁线圈中通以电流控制外侧铁芯和内侧铁芯在同一圆周角度上产生异性磁场每对磁极间生成类匀强磁场。铁芯以逆时针(或顺时针，根据进、出口位置确定)顺序通电使每对内外侧铁芯间依次产生类匀强磁场，使铁磁流体在腔体内受磁场吸引作用发生移动。

29、8)本发明解决了油气开采、输运过程中多相混输泵适用性差、运行不稳定、维修周期短的问题。提出轴向输送的铁磁流体驱动泵，利用铁磁流体自密封、自润滑、低磨损、长寿命的优势，实现在油气开采、输运过程中，输送介质成分复杂、运行工况难以预测的高可靠性泵送驱动。

30、9)本发明解决了铁磁流体驱动过程中，增压效果不足、适用范围窄的问题。提出轴向阵列分布的铁磁流体驱动泵，利用多级增加原理，实现泵送过程中介质连续增压效果，达到高压输送介质流体的目的。

31、10)本发明解决了铁磁流体在泵腔内部周向循环运动的磁场控制问题。提出以电励磁方式，设计多级内、外侧铁芯和励磁线圈，通过电路控制实现周期性旋转磁场，达到控制铁磁流体周向循环运动的目的，使内、外侧铁芯产生的磁场以n—s级或s—n级对应，实现增强磁场的效果，并使相邻铁磁流体泵之间的铁磁流体运动方向相反，实现多级串连。

32、11)本发明解决了叶片式多相混输泵在高背压下工作性能差或无法正常工作的问题。提出的铁磁流体驱动泵，利用容积式原理，在高背压作用下可以自行调节，适应工作环境，满足高背压输送效果。

33、12)本发明利用电励磁方式，实现铁磁流体驱动泵内部产生周期性旋转运动的磁场，通过运动磁场带动铁磁流体运动，实现驱动气液二相混合介质的效果，因铁磁流体具有贴合固体表面、自密封性、自润滑性、磁响应特点，且在基载液选择合适的情况下，具有与外界流体不互溶特性，因此该驱动泵具有无机械传动装置、低磨损、结构简单、寿命长等优点，在油气混输领域具有较高的适用性和可靠性。

34、13)本发明通过轴向阵列方式，实现铁磁流体驱动泵多级增压效果，达到高压输送的目的。以电路控制相临两级铁磁流体驱动泵中的铁磁流体运动方向相反，完成多个铁磁流体驱动泵的轴向串联，提高了铁磁流体驱动泵的性能，扩展了铁磁流体驱动泵的适用工况范围和适用场景。