CN1065512A - 旋转式泥浆泵 - Google Patents

Abstract

一种旋转式泥浆泵，是由壳体、旋转筒体和静止 柱式叶轮等部件组成。泥浆流入泵体后，先进入静止 叶轮与旋转筒体的外涵道，获得高速，并被凸出柱状 叶轮表面的螺旋状喷嘴“切削”而进入叶轮的蜗壳状 内涵道扩压降速和由其轴心处出口排出泵体。属于 非容积式工业泵，既能泵送带有粒度不大固体颗粒的 泥浆，又能获得钻井所需的工作压力；并且结构简单， 维护使用方便，重量轻，易损件少，便于与数控电机配 套，是传统往复式泥浆泵的更新换代产品。

Description

本发明涉及一种非容积式工业泵，确切地说，涉及一种叶轮不旋转，而由叶轮外侧的筒体作高速旋转的泥浆泵。

地质勘探和油田生产时钻井用的泥浆是固体颗粒和水的混和体，其输出压力一般在12～25兆帕（MPa）范围内。现在通常使用的旋转式工业泵是不能适应这种工作条件的，而单级、低速，具有较大密封环间隙的离心式泥浆泵可以泵送泥浆，但它达不到钻井所需要的工作压力;多级、高速离心泵可以达到钻井所需要的工作压力，却又不能适应泵送这种介质。因此，国内外钻井至今都仍然使用着用缸套和橡皮活塞的往复式泥浆泵。这种泵体积庞大，结构复杂、笨重、易损件多，维修工作量大，维修的化费也大。为了维持钻井过程的不间断连续作业，每一套钻机必须配备2台泥浆泵，以防备其中一台损坏时可以经常进行维修而让备用的一台顶替正常工作。

本发明的目的是提供一种既能泵送泥浆这种介质，又能达到钻井所要求的工作压力，并且结构简单、容易操作维护的新型结构的旋转式泥浆泵。

本发明的结构原理可结合附图来说明之。

附图1是本发明结构示意图。

附图2是本发明静止柱式叶轮的结构示意图及液体流向示意图。

附图3是本发明内外函道结构示意图。

如图中所示，本发明主要由壳体1、旋转筒体2和静止柱式叶轮3等部件组成。其中旋转筒体2是一个两端分别为其转轴和圆形通孔的中间凸出的圆柱形中空筒体，在该筒体空腔里同轴装有静止的圆柱状叶轮3，在叶轮的柱状表面有一道螺旋状裂口一喷嘴4，喷嘴后侧是呈蜗壳状的螺旋扩压通道（内函道）5，叶轮3和旋转筒体2之间的孔隙为外函道6，喷嘴的末端在叶轮中心处向外引伸构成泵的出口7，整个筒体2被封装在附有泵的入口8的壳体1内。图1还表明了本发明的旋转筒体2是由屏蔽电机9（或采用普通电机经磁力偶合屏蔽）驱动高速旋转，而叶轮3则固定不转。

本发明的工作机理是：在旋转筒体一侧的中心位置，由于中间有引出的出口管道，形成了泵的环形入口（其结构与离心泵叶轮的环形入口相类似），泥浆由泵的入口8进入泵体，再由此环形入口被吸入旋转筒体内，并被筒体内的端部流道引流到筒体腔内外壁，和被加速到筒体一样的旋转速度，该过程类似于离心泵中叶轮流道的加速作用。液体在泵体内的流程分为两种：在旋转筒体2内形成外函道6，在静止叶轮3内构成内函道5。由于离心力的作用，泥浆在外函道由旋转中心向筒体外壁流动时，其压力逐渐增大，且随其旋转曲率半径增大，使离心力造成的压力也越大，并在外函中与筒体同步高速旋转，也是随其半径的增大，而获得极高的线速度以至泥浆在外函道中其绝对切向速度大体上与筒体在该位置的旋转速度相近似。由于泥浆泵的流量大，本发明静止叶轮制造成圆柱状，柱面上的喷嘴也演变成一道螺旋状的裂口（参见图2），其形状与金属切削设备上使用的圆柱形铣刀极为相似，其工作状态也与圆周形棍铣刀切削筒状内圆孔时极其相象：喷嘴的入口就象柱状铣刀的刀刃，充满了泥浆的外函就象一个高速旋转的工件，而喷嘴凸出于圆柱面，就象铣刀刀刃切入工件的内孔，液环在外函高速旋转时，被切入喷嘴口的泥浆就被喷嘴“切削”下来。一区别在于铣削时是柱形铣刀高速旋转，而工件被卡在工作台上静止不动的，这里却是工件（外函里的泥浆液环）高速旋转，而柱状铣刀（静止柱状叶轮）却是固定不动的。但其相对运动的结果是同样的：被切削下来的泥浆“柱面”进入叶轮喷嘴后侧的蜗壳状内函后，因内函的入口到出口是逐渐开放扩大的，便把入口处的高速均匀、平缓、光滑地过渡到出口处较低的流速，根据水力学的能量转换，将速头差转换成压头，也就是提高了泵的扬程。这样，泥浆流出内函，从泵的出口流出时就获得了钻井所需要的工作压力。

由于喷嘴是一条螺旋形长沟，单位喷嘴截面液体与喷嘴的接触面积较小，入口的的水力损失要比圆形或椭园形喷嘴相对要小一些。外函道内泥浆液环与泵的芯体（即静止叶轮的外周）之间的相对速度很高，如果液环与泵芯体直接摩擦，其摩阻是很大的。但在工作时，混合在泥浆中的气体被逐渐游离出来，由于气体没有泄出口，而封闭在外函道的中心，在离心力的作用下，使外函道中的泥浆液环与芯体之间被一层气垫11（参见图3所示）隔开，从而有效地减少了摩擦损耗。

因为这种泵没有密封口环，在工作介质中允许存在粒度不大的固体颗粒，所以可以泵送泥浆。又因为在外函中液环与函道外壁的相对流速不高，不会对流道产生明显的磨蚀;相对流速较大的部位只是内柱体的柱面和喷嘴，以及内函道的入口处，因为这些部位都是静止的部位，工作条件比较简单，这些部位另件的机械加工工艺也比较容易处理，只要把这些部位的表面耐蚀性处理得当，本发明就没有什么易损件和维修工作量。与传统泵作比较：常规的泥浆泵有皮带轮传动付、齿轮传动付、曲轴连杆机构、拉杆十安头及滑板机构、缸套及活塞、进排水阀装置（每个缸有4套阀），共有六个运动机构和相应的部件，而旋转泥浆泵只有一个主要运动部件，并由屏蔽电机直接驱动之，结构特别简单。传统的泥浆泵重量为20～30吨，一台钻机配装两台，连同传动装置共约近百吨！而本发明使用时只要配装一台泵，重量仅为5～6吨。常规泥浆泵的易损件有三角皮带、活塞、缸套、阀部件、拉杆、拉杆盘更、中间拉杆盘更等。这些部件除了三角皮带和缸套外，多数都要每周进行更换，而本发明只有喷嘴是需要更换的维修部件，每次更换至少可用一年。而在安装上本发明也体现其优势：可用电机直接驱动，而不需特别的传动机构装置。所以，本发明尤其适合为今后的数控电动钻机配套，可直接采用数控电机驱动，不仅简化了钻机的传统结构免去了复杂的皮带传动，还可比较容易地发展成数控变工况钻井的重要附属装备，为钻井的机电一体化技术进步作出贡献。

Claims (1)

1、一种旋转式泥浆泵，其特征是由壳体、旋转筒体和静止柱式叶轮等部件构成，其中旋转筒体是一个两端分别为其转轴和圆形通孔的中间凸出的圆柱形中空筒体，在该筒体空腔里同轴装有静止的圆柱状叶轮，在叶轮的柱状表面有一道螺旋状裂口一喷嘴，喷嘴后侧是呈蜗壳状的螺旋扩压通道(内函道)，叶轮和旋转筒体之间的孔隙为外函道，喷嘴的末端在叶轮中心处向外引伸构成泵的出口，整个筒体被封装在附有泵的入口的壳体内。

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