CN105452667A - 用于泵送多相流体的系统和设备 - Google Patents

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CN105452667A CN201480044347.4A CN201480044347A CN105452667A CN 105452667 A CN105452667 A CN 105452667A CN 201480044347 A CN201480044347 A CN 201480044347A CN 105452667 A CN105452667 A CN 105452667A
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Abstract

一种用于泵送多相流体的泵包括壳体(28)和带有外表面的转子(38)。多个导流导叶(42)附接至转子毂，各自具有前缘(48)和后缘(52)，其中一个导流导叶的前缘与相邻导流导叶的后缘重叠第一重叠角。多个叶轮导叶(44)也附接至毂。叶轮导叶各自具有前缘(54)和后缘(58)，其中一个叶轮导叶的前缘与相邻叶轮导叶的后缘重叠大于第一重叠角的第二重叠角。泵包括在毂外表面与壳体内表面之间延伸的转子流动通道。转子流动通道具有入口面积和出口面积，借此出口面积小于入口面积。

Description

用于泵送多相流体的系统和设备
背景技术
本文公开的主题大体上涉及多相流体泵，并且更具体地涉及用于泵送含有大量气体的多相流体的螺旋轴流泵。
多相流体(诸如气态和液态的两相流体)存在于许多技术领域中，诸如采油。例如包含螺旋轴流泵的系统的水下泵送系统常常配置到井中来从地下储备取得石油流体。大多数水下泵送系统包括一个或更多个叶轮和扩散器组合，一般称为"级"。叶轮在相邻的静止扩散器内旋转。在使用期间，旋转叶轮将动能给予流体。动能的一部分在流体经过下游扩散器时转变成压力。
在涉及多相流体(例如，石油-气体混合物)的操作中使用水下泵送系统的一个缺陷在于多相流体意外分离成其液体组分和气态组分。这可对于特征为高气体体积分数的多相过程流体变得特别严重。当多相流体开始分成其液体组分和气态组分时，泵变得易于"气封"。当多相流体包括较大的气体与液体比时，气封大体上会发生。气封现象在气泡移动到水下泵送系统内的流体流的低压区中时发生，且相分离然后可在流中发生。在相分离后，气相具有累积在泵的流动通路的某些区域中的趋势。如果足够的气体累积在泵的流动通路的区域中，则气封发生，而阻止多相流体的移动。因此，气封引起低效和无效的泵操作，且可导致水下泵送系统的性能和/或使用寿命的下降，使得其不再可能有效地泵送多相流体。
发明内容
在一方面，提供了一种用于泵送多相流体的螺旋轴流泵。螺旋轴流泵包括具有纵轴线和内表面的壳体。螺旋轴流泵还包括定位在壳体内的转子。转子包括入口部分和出口部分且具有带有外表面的毂。转子还包括导流区段，其具有联接至毂的多个导流导叶。导流导叶各自具有前缘和后缘。各个导流导叶的前缘沿周向重叠相邻导流导叶的后缘，且限定从壳体的纵轴线沿周向测得的第一重叠角。转子还包括叶轮区段，其具有联接至毂的多个叶轮导叶。叶轮导叶各自具有前缘和后缘。各个叶轮导叶的前缘沿周向重叠相邻叶轮导叶的后缘，且限定从纵轴线沿周向测得的第二重叠角。第一重叠角大于第二重叠角。此外，螺旋轴流泵还包括转子流动通道。转子流动通道在毂外表面与壳体内表面之间延伸。转子流动通道具有在毂的入口部分处毂外表面与壳体内表面之间延伸的入口面积，以及在毂的出口部分处毂外表面与壳体内表面之间延伸的出口面积。出口面积小于入口面积。
另一方面，提供了一种用于泵送多相流体的系统。系统包括泵驱动机构以用于驱动螺旋轴流泵。系统还包括流体导管。另外，系统包括附接至泵驱动机构和流体导管的螺旋轴流泵。螺旋轴流泵包括至少一个级，其包括具有纵轴线和内表面的壳体。螺旋轴流泵还包括定位在壳体内的转子。转子包括入口部分和出口部分且具有带有外表面的毂。转子还包括具有附接至毂的多个导流导叶的导流区段。导流导叶各自具有前缘和后缘。各个导流导叶的前缘沿周向重叠相邻导流导叶的后缘且限定从壳体的纵轴线沿周向测得的第一重叠角。转子还包括具有附接至毂的多个叶轮导叶的叶轮区段。叶轮导叶各自具有前缘和后缘。各个叶轮导叶的前缘沿周向重叠相邻叶轮导叶的后缘，且限定从纵轴线沿周向测得的第二重叠角。第一重叠角大于第二重叠角。此外，螺旋轴流泵包括转子流动通道。转子流动通道在毂外表面与壳体内表面之间延伸。转子流动通道具有在毂的入口部分处毂外表面与壳体内表面之间延伸的入口面积，以及在毂的出口部分处毂外表面与壳体内表面之间延伸的出口面积。出口面积小于入口面积。
附图说明
在参照附图阅读以下详细描述时，本公开内容的这些及其它特征、方面和优点将变得更好理解，其中相似的标号贯穿附图表示相似的部分，在附图中：
图1为用于泵送多相流体的泵送系统的示意性截面视图；
图2为可结合图1中所示的泵送系统使用的泵的截面示意图；
图3为可结合图2中所示的泵使用的转子和定子的透视图；
图4为朝出口部分向下游看的图3中所示的转子的入口部分的示意性端视图；
图5为朝入口部分向上游看的图3中所示的转子的出口部分的示意性端视图；
图6为围绕泵的转子部分截取的图2中所示的泵的示意性截面视图；
图7为围绕泵的定子部分截取的图2中所示的泵的示意性截面视图；
图8为可结合图2中所示的泵使用的备选示例性定子的示意性侧视图；
图9为可结合包括导叶末梢的图2中所示的泵使用的备选示例性转子的示意图；
图10为可结合图2中所示的泵使用的备选示例性转子和定子的透视图；
图11为可结合图2中所示的泵使用的备选示例性转子和定子的透视图；
图12为可结合图1中所示的泵送系统使用的备选示例性泵的示意性截面视图；以及
图13为朝出口部分向下游看的结合图2中所示的泵使用的备选示例性转子的入口部分的示意性端视图。
除非另外指出，则本文提供的附图意在示出本公开内容的实施例的特征。这些特征认作是适用于包括本公开内容的一个或更多个实施例的多种系统。因此，附图不意在包括实施本文公开的实施例所需的本领域的普通技术人员已知的所有常规特征。
具体实施方式
在以下说明书和权利要求中，将提到一定数目的用语，用语将限定为具有以下意义。
单数形式"一个"、"一种"和"该"包括复数对象，除非上下文清楚地另外指出。
如本文中贯穿说明书和权利要求所使用的近似语言可用于改变任何定量的表示，其可容许改变而不会导致其涉及的基本功能的变化。因此，由例如"大约"和"大致"的一个或更多个用语修饰的值不限于指定的精确值。在至少一些情况中，近似语言可对应于用于测量值的器具的精确性。这里和贯穿说明书及权利要求，范围限制可组合和/或互换；此范围被识别出，且包括包含在其中的所有子范围，除非上下文或语言另外指出。
本文所述的系统和方法涉及用于泵送含有大量气体的多相流体的螺旋轴流泵。螺旋轴流泵包括一个或更多个泵级。各级均包括转子部分和扩散器或定子部分。转子部分具有从毂沿径向向外延伸的至少两个导叶。上游第一组导叶称为导流导叶(inducervane)，而下游的第二组导叶称为叶轮导叶(impellervane)。导流导叶沿螺旋轴流泵的纵轴线的形成基本螺旋的图案。导流导叶的数目和各个导流导叶的包角选择成具有限定在连续导流导叶之间的重叠角。导流导叶重叠测量为围绕螺旋轴流泵的纵轴线的旋转角。适当量的导流导叶重叠便于保持导流导叶之间的多相流体的动量，这可减少气体与多相流体的分离。螺旋轴流泵包括与较大重叠角组合的低导流导叶数，以将较低工作量给予多相流体来便于减少气体与多相流体的分离量。同样，叶轮导叶沿螺旋轴流泵的纵轴线的形成基本螺旋的图案。叶轮导叶的数目和各个叶轮导叶的包角选择成具有连续叶轮导叶之间的重叠。螺旋轴流泵包括与较小重叠角组合的高叶轮导叶数，以将高工作量给予多相流体来便于增大多相流体的压力。由转子毂与壳体之间的空间限定的转子流动通道从泵的上游部分逐渐地减小至下游部分。操作具有与大重叠角组合的低导流导叶数、与小重叠角组合的高叶轮导叶数，以及逐渐减小的转子流动通道的螺旋轴流泵便于减少气封潜在可能，且允许螺旋轴流泵泵送包含30%或更高体积的气相的多相流体。
图1为用于泵送多相流体的泵送系统10的示意性截面视图。在示例性实施例中，泵送系统10包括联接到流体导管14上的泵组件12。泵组件12和流体导管14的一部分定位在地下井孔16中。在示例性实施例中，流体导管14联接在泵组件12与位于地上的井口18之间。作为备选，泵送系统10可在允许泵送系统10如本文所述那样操作的任何位置操作，例如，在地上，以将多相流体从一个储存位置传送至另一个。在示例性实施例中，井口16用于采油，在该处，石油流体包括气态和液体多相流体。如本文中所使用的，用语"石油流体"宽泛地指矿物碳氢化合物，诸如粗油、天然气以及油和气体的组合。作为备选，泵送系统10可操作成泵送允许泵送系统10如本文所述那样操作的任何气态和液体多相流体。
在示例性实施例中，泵送系统10包括至少一个泵组件12，其包括泵26和泵驱动机构20(例如，电动机)。泵驱动机构20从地上经由电力线缆22联接到电源(未示出)上。作为备选，泵驱动机构20可为允许泵组件12如本文所述那样操作的任何类型的驱动机构，例如，不作限制，涡轮发动机或液压泵驱动器。在示例性实施例中，泵组件12包括允许井孔16内的石油流体进入泵26的进入部分24。
图2为可结合图1中所示的泵送系统10使用的泵26的截面示意图。在示例性实施例中，泵26为螺旋轴流泵。泵26包括限定旋转中心轴线30的基本圆柱形壳体28。可旋转的轴32基本定位成与旋转中心轴线30同轴。泵26还包括至少一级34。在示例性实施例中，泵26包括三个基本等同的级(34,34a和34b)。级34包括装固到壳体28上的定子或扩散器36，以及装固到轴32来与其旋转的转子38。定子36和转子38可分别使用固定连接手段(诸如，但不限于，键合、压配合和/或机械紧固件连接)附接到壳体28和轴32上。作为备选，定子36和转子38可分别使用允许定子36和转子38分别固定地连接到壳体28和轴32上的任何连接方法来附接到壳体28和轴32上。轴32构造成将机械能从泵驱动机构20传递至转子38。壳体28、轴32、定子36和转子38由耐用的耐蚀材料制成，诸如但不限于钢或钢合金。作为备选，壳体28、轴32、定子36和转子38可由允许壳体28、轴32、定子36和转子38如本文所述那样操作的任何材料制成。
图3为可结合图2中所示的泵26使用的转子38和定子36的透视图。在示例性实施例中，转子38包括转子毂40和多个泵导叶，包括导流导叶42和叶轮导叶44。多相流体的流动方向由平行于如图3中所示的旋转中心轴线30的箭头指出。转子38包括入口部分39和入口部分39下游的出口部分41。导流导叶42附接到转子毂40上，且定位在叶轮导叶44的上游。导流导叶42从转子毂40沿径向延伸，且以围绕旋转中心线30的螺旋图案向下游成螺旋。在示例性实施例中，转子38包括三个导流导叶42，其各自沿周向延伸穿过围绕旋转中心轴线30的大约245度的旋转角。作为备选，转子38可包括大约延伸允许泵26如本文所述那样操作的任何旋转角的任何数目的导流导叶42。导流导叶42各自包括限定前缘48的前缘部分46，以及限定后缘52的后缘部分50。导流导叶42还各自包括基本朝入口部分39面向上游的吸力侧66，以及基本朝出口部分41面向下游的压力侧68。
叶轮导叶44附接到转子毂40上，且定位在导流导叶42的下游。导流导叶44从转子毂40沿径向延伸，且以围绕旋转中心轴线30的螺旋图案向下游成螺旋。在示例性实施例中，转子38包括九个叶轮导叶44，其各自沿周向延伸穿过围绕旋转中心轴线30的大约45度的旋转角。作为备选，转子38可包括围绕允许泵26如本文所述那样操作的任何旋转角的任何数目的叶轮导叶44。叶轮导叶44各自包括限定前缘56的前缘部分54，以及限定后缘60的后缘部分58。叶轮导叶44还各自包括基本朝入口部分39面向上游的吸力侧70，以及基本朝出口部分41面向下游的压力侧72。
图4为朝出口部分41向下游看的图3中所示的转子38的入口部分39的示意性端视图。在示例性实施例中，导流导叶42的前缘48基本与从旋转中心轴线30朝前缘48向外延伸的假想的径向线61共线。同样，导流导叶42的后缘52基本与从旋转中心轴线30朝后缘52向外延伸的假想的径向线61共线。作为备选，前缘48和后缘52可有角度地偏离假想的径向线61允许转子38如本文所述那样操作的任何量。导流导叶42的数目和各个导流导叶的包角是预定的使得限定相邻导流导叶42之间的重叠量。重叠量测量为围绕旋转中心轴线30的重叠角θ。在示例性实施例中，前缘48与相邻导流导叶42的后缘48成角偏离重叠角θ。重叠角θ在大约100度到大约300度之间的范围中，且更具体地，在大约115度到大约135度之间的范围中。
图13为朝出口部分41向下游看的结合图2中所示的泵26使用的备选示例性转子38的入口部分39的示意性端视图。在示例性实施例中，各个导流导叶42的前缘48从其与弯曲轮廓中的转子毂40的交点朝相应导流导叶42的外缘88扫过。作为备选或此外，后缘52可从其与弯曲轮廓中的转子毂40的交点朝相应导流导叶42的外缘88扫过。在示例性实施例中，前缘48的扫过是沿多相流体的流动方向向后的。作为备选，前缘48可与多相流体的流动方向相反而向前扫过。在示例性实施例中，前缘48的向后扫过的量测得为围绕旋转中心轴线30的假想径向线61之间的扫掠角β。扫掠角β在大约0度到大约145度之间的范围中，且更具体地在大约60度到大约120度之间的范围中。作为备选，在前缘48向前扫过的实施例中，扫掠角β可在大约0度到大约45度之间的范围中。
图5为朝入口部分39向上游看的图3中所示的转子38的出口部分41的示意性端视图。在示例性实施例中，叶轮导叶44的前缘56与从旋转中心轴线30朝前缘56向外延伸的假想径向线61成角地偏离。同样，叶轮导叶44的后缘60与从旋转中心轴线30朝后缘60向外延伸的假想径向线61成角地偏离。作为备选，前缘56和后缘60可形成弯曲轮廓，或可与假想的径向线61基本共线，使得转子38如本文所述那样操作。在前缘56或后缘60形成弯曲轮廓的备选实施例中，图13中所示的扫掠角β可在大约24度到45度之间的范围中。在示例性实施例中，叶轮导叶44的数目和各个叶轮导叶的包角是预定的使得限定相邻叶轮导叶44之间的重叠。重叠测量为围绕旋转中心轴线30的重叠角α。在示例性实施例中，前缘56与转子毂外表面62相交的点与相邻的叶轮导叶44的后缘60与转子毂外表面62相交的点成角地偏离重叠角α。重叠角α在大约0度到大约20度之间的范围中，且更具体地在大约0度到大约10度之间的范围中。
图6为围绕泵26的转子部分截取的图2中所示的泵26的示意性截面视图。截面沿包含旋转中心轴线30的竖直平面截取。在示例性实施例中，转子毂40具有限定为旋转中心轴线30与位于入口部分39处的转子毂外表面62之间的距离的第一毂半径R1。转子毂40还具有限定为旋转中心轴线30与位于出口部分41处的转子毂外表面62之间的距离的第二毂半径R2。壳体28具有限定为旋转中心轴线30与壳体内表面64之间的距离的内壳体半径R3。流动通道43在转子毂外表面62与壳体内表面64之间延伸。面积A1为围绕流动通道43的旋转中心轴线30的扫掠面积，其由毂半径R1与壳体半径R3之间的差异限定。同样，面积A2为围绕流动通道43的旋转中心轴线30的扫掠面积，其由毂半径R2与壳体半径R3之间的差异限定。流动通道43的面积A1从入口部分39到出口部分41减小到面积A2，且识别为流动通道43的"面积收缩"。在示例性实施例中，这通过转子毂40的半径的逐渐增大实现，使得毂半径R2大于毂半径R1，导致了面积A2小于面积A1。作为备选，面积收缩可通过壳体半径R3的逐渐减小，同时保持恒定的转子毂半径R1，或通过毂半径R1的增大和壳体半径R3减小的组合来实现。在示例性实施例中，面积收缩比A2/A1在大约0.3到大约0.5之间，且更具体在大约0.37到大约0.45之间，且更具体在大约0.39到大约0.43之间。
回头参看图3，在示例性实施例中，定子36包括定子毂74和多个扩散器导叶76。定子36包括入口部分73和出口部分75。扩散器导叶76附接到定子毂74上且从定子毂74沿径向延伸。扩散器导叶76各自以大体上弯曲的形式沿轴向延伸，使得前缘78朝转子38的旋转方向倾斜，且后缘80基本沿轴向方向延伸。在示例性实施例中，定子36包括十四个扩散器导叶76。作为备选，定子36可包括允许泵26如本文所述那样操作的任何数目的扩散器导叶76。扩散器导叶76各自包括压力侧82和与压力侧82相对的吸力侧84，其至少部分地限定用于多相流体的相应扩散器流动通道。
图7为围绕泵26的定子部分截取的图2中所示的泵26的示意性截面视图。截面沿包含旋转中心轴线30的竖直平面截取。在示例性实施例中，定子毂74具有限定为旋转中心轴线30与位于入口部分73处的定子毂外表面86之间的距离的第一毂半径R4。定子毂74还具有限定为旋转中心轴线30与位于出口部分75处的定子毂外表面86之间的距离的第二毂半径R5。壳体28具有限定为旋转中心轴线30与壳体内表面64之间的距离的内壳体半径R3。流动通道43在定子毂外表面86与壳体内表面64之间延伸。面积A3为围绕流动通道43的旋转中心轴线30的扫掠面积，其由毂半径R4与壳体半径R3之间的差异限定。同样，面积A4为围绕流动通道43的旋转中心轴线30的扫掠面积，其由毂半径R5与壳体半径R3之间的差异限定。流动通道43的面积A3从入口部分73到出口部分75增大至面积A4，且识别为流动通道43的"面积扩张"。在示例性实施例中，这通过定子毂74的半径的逐渐减小实现，使得毂半径R4大于毂半径R5，导致了面积A3小于面积A4。作为备选，面积扩张可通过壳体半径R3的逐渐增大同时保持恒定的定子毂半径R4，或毂半径R4减小和壳体半径R3增大的组合来实现。在示例性实施例中，毂半径R4基本等于毂半径R2，导致了面积A2基本等于面积A3，且毂半径R5基本等于毂半径R1，导致了面积A4基本等于面积A1。作为备选，毂半径R4和毂半径R5可为允许泵26如本文所述那样操作的任何值。
图8为可结合图2中所示的泵26使用的备选示例性定子36的示意性侧视图。在示例性实施例中，定子100包括毂102和多个扩散器导叶，包括多个上游扩散器导叶104和多个下游扩散器导叶106。定子100包括入口部分107和入口部分107下游的出口部分109。上游扩散器导叶104附接到下游扩散器导叶106上游的毂102上且从其沿径向延伸。上游扩散器导叶104各自以大体上弯曲形式沿轴向延伸，使得前缘部分108朝转子38的旋转方向倾斜，且后缘部分110沿轴向方向转动。同样，下游扩散器导叶106附接到上游扩散器导叶104下游的毂102上，且从其沿径向延伸。下游扩散器导叶106各自以大体上弯曲方式沿轴向延伸，使得前缘部分112朝转子38的旋转方向倾斜，且后缘部分114基本沿轴向方向延伸。在示例性实施例中，上游扩散器导叶104的后缘部分110沿轴向向下游延伸经过下游扩散器导叶106的前缘部分112，形成轴向重叠距离90。轴向重叠距离90是预定的以有助于减小多相流体流与上游扩散器导叶104和下游扩散器导叶106的分离。在示例性实施例中，轴向重叠距离90在特定导叶厚度94的大约1/10与特征导叶厚度94的大约10倍之间的范围中。作为备选，轴向重叠距离90可为允许上游扩散器导叶104和下游扩散器导叶106如本文所述那样操作的任何预定距离。
在示例性实施例中，定子100包括十四个上游扩散器导叶104和十四个下游扩散器导叶106。作为备选，定子100可包括允许泵26如本文所述那样操作的任何数目的扩散器导叶104和106。在示例性实施例中，下游扩散器导叶106的前缘部分112的冲角大于上游扩散器导叶104的后缘部分110的冲角，产生了前缘部分112与后缘部分110之间的分离，以便于控制多相流体的流动轮廓。
进一步参看图8，在示例性实施例中，导流导叶42的后缘52沿轴向方向向下游延伸，且在叶轮导叶44的前缘56之前终止，因此形成了轴向分离92。轴向分离92操作为多相流体混合室。在操作中，多相流出导流导叶42之间的流体流动通道43。多相流体混合物可包含不均一的气体和液体的分布，且当其经过轴向分离92时，多相流体还可在进入叶轮导叶44之前混合。在示例性实施例中，轴向分离92在特征导叶厚度94的大约1/10与大约10倍之间的范围中。作为备选，导流导叶42的后缘52可沿轴向方向向下游延伸经过叶轮导叶44的前缘56，其中轴向分离92限定为轴向重叠。轴向分离92可为允许导流导叶42和叶轮导叶44如本文所述那样操作的任何预定距离。
图9为可结合包括导叶末梢120的图2中所示的泵26使用的备选示例性转子38的示意图。在示例性实施例中，导流导叶42包括从压力侧68向下游朝出口部分41(图3中所示)向外延伸的导叶末梢120。导流导叶42大体上从转子毂40沿径向延伸，且包括大体上沿轴向方向弯曲的导叶末梢120，因此提供了边缘部分122以便于控制多相流体的流动轮廓。作为备选或此外，叶轮导叶44可包括从压力侧72向下游朝出口部分41向外延伸的叶片末梢120。在备选实施例中，导叶末梢120可从导流导叶42和叶轮导叶44中的一个或更多个向下游延伸，使得导叶末梢120和导流导叶42和/或叶轮导叶44的交点在其间形成突然过渡。在示例性实施例中，导叶末梢120的边缘部分122是基本弯曲的。作为备选，边缘部分122可为允许导叶末梢120如本文所述那样操作的任何形状。
图10为可结合图2中所示的泵26使用的备选示例性转子38和定子36的透视图。在示例性实施例中，导流导叶42、叶轮导叶44和扩散器导叶76包括其中的凹槽130。凹槽130便于控制多相流体的流动轮廓。在示例性实施例中，凹槽130分别沿导流导叶42、叶轮导叶44和扩散器导叶76延伸，且基本遵循从相应的导叶42,44和76的相应的前缘到相应的后缘连续的路径。作为备选，仅导流导叶42、叶轮导叶44、扩散器导叶76或其任何组合可包括其中的凹槽130。在示例性实施例中，导流导叶42、叶轮导叶44和扩散器导叶76的各个导叶均包括分别沿压力侧68,72和82和分别沿吸入侧66,70和84延伸的两个凹槽130，且在毂与相应导叶的末梢之间等距。作为备选，导流导叶42、叶轮导叶44和扩散器导叶76可各自包括多于或少于两个凹槽130，且凹槽130可位于任何位置，且沿允许泵26如本文所述那样操作的相应导叶的长度的部分延伸。
图11为可结合图2中所示的泵26使用的备选示例性转子38和定子36的透视图。在示例性实施例中，压力平衡孔140至少部分地延伸穿过导流导叶42、叶轮导叶44和扩散器导叶76。压力平衡孔140分别定位在导流导叶42、叶轮导叶44和扩散器导叶76的前缘48、前缘56和前缘78近侧。作为备选，压力平衡孔140可仅延伸穿过导流导叶42、叶轮导叶44、扩散器导叶76或它们的任何组合。在示例性实施例中，导流导叶42、叶轮导叶44和扩散器导叶76中的各个导叶均包括单个压力平衡孔140。作为备选，导流导叶42、叶轮导叶44和扩散器导叶76可各自包括一个以上的压力平衡孔140，且压力平衡孔140可位于沿相应导叶的任何位置，使得泵26如本文所述那样操作。压力平衡孔140通过允许预定量的多相流体流过压力平衡孔140而便于除去可形成在导流导叶42、叶轮导叶44或扩散器导叶76的吸力侧上的气泡。除去可形成在相应导叶上的气泡便于减少泵26的气封。
图12为可结合图1中所示的泵送系统10使用的备选示例性泵26的示意性截面视图。在示例性实施例中，壳体28包括壳体内表面64中的多个凹入的凹槽150。凹入的凹槽150围绕旋转中心轴线30沿周向延伸。导流导叶42和叶轮导叶44从转子38向外延伸超过壳体内表面38且进入凹入凹槽150中的一个。此外，扩散器导叶76从定子36向外延伸，且超过壳体内表面38且进入凹入凹槽150中的一个。在示例性实施例中，凹槽150形成在壳体内表面64中，以提供壳体28分别与导流导叶42、叶轮导叶44和扩散器导叶76之间的预定空隙量，且便于减小导流导叶42与叶轮导叶44，以及导流导叶44与扩散器导叶76之间沿壳体内表面64发生的流体泄漏量。因此，使导流导叶42、叶轮导叶44和扩散器导叶76的至少一部分延伸到凹入的凹槽150中便于提高泵26的效率。
如本文所述的设备和系统便于减小螺旋轴流泵中的气封的潜在可能。具体而言，所述的系统和方法通过使用具有带有与大重叠角组合的低导流导叶数、与小重叠角组合的高叶轮导叶数和逐渐减小的转子流动通路的导流部分的串联转子而便于减小带有高气体体积分数的多相流体分离成其液体组分和气态组分。因此，相比于已知的螺旋轴流泵，本文所述的设备和系统便于减小气封的潜在可能，且允许螺旋轴流泵泵送包含较大部分的气相的多相流体。
上文详细描述了用于螺旋轴流泵的示例性实施例。设备和系统不限于本文所述的特定实施例，而相反，系统的操作和系统的构件可独立地且与本文所述的其它操作或构件单独地使用。例如，本文所述的系统和设备可具有其它工业或消费应用，且不限于结合如本文所述的水下泵实施。相反，一个或更多个实施例可结合其它行业实施和使用。
尽管本发明的各种实施例的特定特征在一些附图中示出而在其它中未示出，但这仅是为了方便。按照本发明的原理，附图的任何特征都可与任何其它附图的任何特征组合来参照和/或提出。
本书面描述使用了实例来公开包括最佳模式的发明，且使本领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制作和使用任何装置或系统，且执行任何并入的方法。本发明的专利范围由权利要求限定，且可包括本领域的技术人员想到的其它实例。如果这些其它实例具有并非不同于权利要求的书面语言的结构元件，或如果这些其它实例包括与权利要求的书面语言无实质差别的等同结构元件，则这些其它实例意图在权利要求的范围内。

Claims (21)

1.一种用于泵送多相流体的螺旋轴流泵，所述螺旋轴流泵包括：
壳体，其具有纵轴线和内表面；
转子，其定位在所述壳体内且包括入口部分和出口部分，所述转子还包括：
毂，其包括外表面；
导流区段，其包括联接至所述毂的多个导流导叶，所述多个导流导叶中的每一个导叶均包括前缘和后缘，其中各个导流导叶的所述前缘沿周向重叠相邻导流导叶的所述后缘，且限定从所述纵轴线沿周向测得的第一重叠角；以及
叶轮区段，其包括联接至所述毂的多个叶轮导叶，所述多个叶轮导叶中的每一个导叶均包括前缘和后缘，其中各个叶轮导叶的所述前缘沿周向重叠相邻叶轮导叶的所述后缘，且限定从所述纵轴线沿周向测得的第二重叠角，其中所述第一重叠角大于所述第二重叠角；以及
转子流动通道，其在所述毂外表面与所述壳体内表面之间延伸，所述转子流动通道包括在所述转子入口部分处所述毂外表面与所述壳体内表面之间延伸的转子入口面积，以及在所述转子出口部分处所述毂外表面与所述壳体内表面之间延伸的转子出口面积，其中所述转子出口面积小于所述转子入口面积。
2.根据权利要求1所述的螺旋轴流泵，其特征在于，所述多个导流导叶和所述多个叶轮导叶中的至少一个包括从其朝所述出口部分至少部分地延伸的导叶末梢。
3.根据权利要求1所述的螺旋轴流泵，其特征在于，所述多个导流导叶和所述多个叶轮导叶中的至少一个包括在其中的凹槽，其构造成有助于所述多相流体的流动轮廓的控制。
4.根据权利要求1所述的螺旋轴流泵，其特征在于，所述多个导流导叶和所述多个叶轮导叶中的至少一个包括至少部分地延伸穿过其间的至少一个压力平衡孔。
5.根据权利要求1所述的螺旋轴流泵，其特征在于，所述壳体内表面包括在其中的至少一个凹槽，其覆盖所述多个导流导叶和所述多个叶轮导叶中的至少一个的至少一部分。
6.根据权利要求1所述的螺旋轴流泵，其特征在于，所述第一重叠角在大约100度到大约300度之间的范围内。
7.根据权利要求1所述的螺旋轴流泵，其特征在于，所述第二重叠角在大约0度到大约20度之间的范围内。
8.根据权利要求1所述的螺旋轴流泵，其特征在于，所述转子出口面积与所述转子入口面积之比在大约0.3到大约0.5之间的范围内。
9.根据权利要求1所述的螺旋轴流泵，其特征在于，各个导流导叶的所述后缘与相应叶轮导叶的所述前缘之间的轴向分离在特征导叶厚度的大约1/10到10倍之间的范围内。
10.根据权利要求1所述的螺旋轴流泵，其特征在于，还包括定位在所述转子下游的所述壳体内的定子，所述定子包括入口部分、出口部分和联接至所述定子的多个扩散器导叶，所述定子还包括定子毂外表面。
11.根据权利要求10所述的螺旋轴流泵，其特征在于，还包括在所述定子毂外表面与所述壳体内表面之间延伸的定子流动通道，所述定子流动通道包括在所述定子入口部分处所述定子毂外表面与所述壳体内表面之间延伸的定子入口面积，以及在所述定子出口部分处所述定子毂外表面与所述壳体内表面之间延伸的定子出口面积，其中所述定子入口面积与所述转子出口面积基本相同，且所述定子出口面积大于所述定子入口面积。
12.根据权利要求10所述的螺旋轴流泵，其特征在于，所述多个扩散器导叶包括各自包括后缘的第一组扩散器导叶，以及各自包括前缘的第二组扩散器导叶，所述第二组扩散器导叶联接至所述第一组扩散器导叶下游的所述定子。
13.根据权利要求12所述的螺旋轴流泵，其特征在于，所述第一组扩散器导叶的各个扩散器导叶的所述后缘从所述第二组扩散器导叶的相应扩散器导叶的所述前缘向下游延伸，以限定特征导叶厚度的大约1/10到10倍之间的轴向重叠距离。
14.根据权利要求10所述的螺旋轴流泵，其特征在于，所述多个扩散器导叶中的至少一个导叶包括在其中的凹槽，其构造成有助于所述多相流体的流动轮廓的控制。
15.根据权利要求10所述的螺旋轴流泵，其特征在于，所述多个扩散器导叶中的至少一个导叶包括至少部分地延伸穿过其间的至少一个压力平衡孔。
16.根据权利要求10所述的螺旋轴流泵，其特征在于，所述多个扩散器导叶中的至少一个导叶包括从其延伸的导叶末梢。
17.一种用于泵送多相流体的系统，所述系统包括：
泵驱动机构；
流体导管；以及
螺旋轴流泵，其可旋转地联接至所述泵驱动机构且流动连通地联接至所述流体导管，所述螺旋轴流泵包括至少一个级，包括：
壳体，其具有纵轴线和内表面；
转子，其定位在所述壳体内且包括入口部分和出口部分，所述转子还包括：
毂，其包括外表面；
导流区段，其包括联接至所述毂的多个导流导叶，所述多个导流导叶中的每一个导叶均包括前缘和后缘，其中各个导流导叶的所述前缘沿周向重叠相邻导流导叶的所述后缘，且限定从所述纵轴线沿周向测得的第一重叠角；以及
叶轮区段，其包括联接至所述毂的多个叶轮导叶，所述多个叶轮导叶中的每一个导叶均包括前缘和后缘，其中各个叶轮导叶的所述前缘沿周向重叠相邻叶轮导叶的所述后缘，且限定从所述纵轴线沿周向测得的第二重叠角，其中所述第一重叠角大于所述第二重叠角；以及
转子流动通道，其在所述毂外表面与所述壳体内表面之间延伸，所述转子流动通道包括在所述转子入口部分处所述毂外表面与所述壳体内表面之间延伸的转子入口面积，以及在所述转子出口部分处所述毂外表面与所述壳体内表面之间延伸的转子出口面积，其中所述转子出口面积小于所述转子入口面积。
18.根据权利要求17所述的系统，其特征在于，所述第一重叠角在大约100度到大约300度之间的范围内，且所述第二重叠角在大约0度到大约20度之间的范围内。
19.根据权利要求17所述的系统，其特征在于，还包括：
定子，其定位在所述转子下游的所述壳体内，所述定子包括入口部分、出口部分和联接至所述定子的多个扩散器导叶，所述定子还包括定子毂外表面；以及
定子流动通道，其在所述定子毂外表面与所述壳体内表面之间延伸，所述定子流动通道包括在所述定子入口部分处所述定子毂外表面与所述壳体内表面之间延伸的定子入口面积，以及在所述定子出口部分处所述定子毂外表面与所述壳体内表面之间延伸的定子出口面积，其中所述定子入口面积与所述转子出口面积基本相同，且所述定子出口面积大于所述定子入口面积。
20.根据权利要求19所述的系统，其特征在于，所述多个导流导叶、所述多个扩散器导叶和所述多个叶轮导叶中的至少一个包括在其中的凹槽，其构造成有助于于所述多相流体的流动轮廓的控制。
21.根据权利要求19所述的泵，其特征在于，所述多个导流导叶、所述多个扩散器导叶和所述多个叶轮导叶中的至少一个包括至少部分地延伸穿过其间的至少一个压力平衡孔。
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