CN109899295B - 一种海底水合物涡轮螺旋泵送装置 - Google Patents

Abstract

一种海底水合物涡轮螺旋泵送装置主要包括泵轮组件、涡轮马达组件、内壳总成、外壳总成；所述泵轮组件与涡轮马达组件之间通过花键结构连接，泵轮组件与涡轮马达组件安装在内壳总成内，所述内壳总成安装在外壳总成内。本发明提供了一种可靠的海底水合物泵送方案，可直接以海水作为冲击液带动涡轮马达转动，以涡轮马达作为螺旋泵叶的动力源，可以有效地实现海底水合物的持续泵送，同时本发明充分考虑了冲击液与泵液(海底水合物)流道的互不干涉，分别设计了两条通流通道，并设计了专门的密封结构可有效实现两种流体流动的互不影响。本发明的提出为研究海底水合物泵送装置的结构设计提供了重要的参考，具有较好的工程意义。

Description

一种海底水合物涡轮螺旋泵送装置

技术领域

本发明涉及涡轮泵装备领域，特指一种海底水合物涡轮螺旋泵送装置。

背景技术

《国家中长期科学和技术发展规划纲要》将“天然气水合物开发技术”部署为27项前沿技术之一。目前，开采海洋水合物主要采用降压、注热、注剂、置换等方法，并且国内外已实施的水合物试采多以前者为主，但是这些开采方法面临极为严重的井筒安全、生产控制、环境风险已经天然气层坍塌等问题，而我国南海的天然气水合物90％以上都属于非成岩矿体，常规方法难以开采，为了应对此种恶劣工况，我国科学家提出了高效开发该类水合物矿体的革命性技术“固态流化法”，并对海底水合物泵送装置提出了系统的功能要求，针对海底水合物的泵送装置的研究成为实际的工程需求，然而，海底水合物的开采近年来在我国才取得实质性突破，适用于海底水合物泵送装备研究较少，且限于海底特殊工况，现有油气装备不能满足海底水合开采的实际需求，因此，研制一种适用于海底水合物开采的泵送装置对推进我国水合物开采进程具有重大意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种海底水合物涡轮螺旋泵送装置，解决现有背景技术下缺乏适用于海底水合物开采运输装置问题，同时为实现海底水合物高效输送提供一种具有实际意义的技术方案。

本发明所采用的技术方案是，一种海底水合物涡轮螺旋泵送装置。

所述一种海底水合物涡轮螺旋泵送装置主要包括泵轮组件、涡轮马达组件、内壳总成、外壳总成；所述泵轮组件与涡轮马达组件之间通过花键结构连接，泵轮组件与涡轮马达组件安装在内壳总成内，所述内壳总成安装在外壳总成内。

进一步技术方案中，泵轮组件包括泵轴、泵轴紧固螺帽、泵轴下端PDC轴承、螺旋泵叶、导流叶轮、内六角螺钉和花键轴套；所述螺旋泵叶焊接在泵轴上，泵轴两端开有螺纹，泵轴紧固螺帽将泵轴下端PDC轴承定位在螺旋泵叶下端；所述导流叶轮套在泵轴上并位于螺旋泵叶上端；所述花键轴套通过螺纹与泵轴连接并通过周向均布分布的四颗内六角螺钉与泵轴紧固。

所述花键轴套内孔开有螺纹，在螺纹孔段内沿周向开有均布分布的六个小孔，花键轴套外侧则加工成花键的结构。

进一步技术方案中，涡轮马达组件包括涡轮轴下端PDC轴承、泵液出口过流套、泵液出口导流套、泵液出口密封件、涡轮轴、径向轴承、冲击液出口导流套、冲击液出口过流套、涡轮出口定位套、涡轮马达、PDC轴承上定位套、PDC轴承下定位套、涡轮入口PDC轴承、冲击液入口过流套、涡轮入口定位套、冲击液入口导流套、止推轴承定位套、止推轴承、入口密封件定位套、入口密封件、涡轮轴紧固螺帽、涡轮轴前置导流套；所述涡轮轴下端PDC轴承安装在涡轮轴下端，泵液出口过流套套在涡轮轴上，且一侧抵在涡轮轴下端PDC轴承上，另一侧抵在泵液出口导流套上；所述泵液出口密封件共有两个，依次安装在径向轴承左右两侧；所述冲击液出口导流套安装在涡轮轴上的开孔处；所述冲击液出口过流套与涡轮出口定位套安装在冲击液出口导流套与涡轮马达之间，起定位作用；所述涡轮马达由多级组成，每级分为涡轮马达定子和涡轮马达转子，涡轮马达定子与涡轮马达转子相间安装在涡轮轴上，且涡轮马达转子与涡轮轴过盈配合，涡轮马达定子与涡轮轴间隙配合，所述涡轮入口PDC轴承安装在涡轮轴上且位于涡轮马达上端；所述冲击液入口过流套与涡轮入口定位套分别安装在涡轮入口PDC轴承与冲击液入口导流套之间，入口导流套起冲击液导流和一定的密封作用；所述止推轴承安装在冲击液入口导流套之后，起缓冲轴向力作用；所述入口密封件安装在止推轴承之后，起防止冲击液串流的作用；所述涡轮轴上端还安装有涡轮轴前置导流套，起到对涡轮轴中的输出泵液导流作用。

所述涡轮轴左端加工有花键内孔，轴内加工有导流孔，并在导流孔末端开有沿周向均布分布的3个出口孔。

所述泵液出口密封件还包括内外圈矩形密封环、内外圈组合密封环、橡胶垫圈、紧固螺钉、左右夹套和中间密封主体；所述左右夹套内圈与外圈分别开有3个矩形凹槽，内外圈矩形密封环与内外圈组合密封环分别安装在凹槽内；所述中间密封主体的内圈与外圈分别开有梯形槽，用以缓冲流体的流动；所述左右夹套分别通过周向均布分布的四颗紧固螺钉与中间密封主体连接；所述橡胶垫圈安装在左右夹套与中间密封主体之间。

进一步技术方案中，内壳总成包括下端内壳、泵壳、涡轮马达壳及上端内壳；所述下端内壳、泵壳、涡轮马达壳及上端内壳之间分别通过螺纹连接；所述下端内壳一端开有锥螺纹，并沿周向均布焊接四个支撑块，所述上端内壳与下端内壳几何结构相同。所述涡轮马达壳左右两侧分别开有沿周向均布分布的3个开孔分别对应冲击液入口孔和出口孔，左右两侧开孔处分别焊接有导流支撑筒，导流支撑筒内开有锥台孔用以导流和减小流体损失，导流支撑筒上开有矩形凹槽用以安装密封圈。

进一步技术方案中，外壳总成包括下端外壳、中间外壳、上端外壳，所述下端外壳、中间外壳与上端外壳之间通过螺纹连接。

综上所述，本发明一种海底水合物涡轮螺旋泵送装置有益效果为：本发明提供了一种可靠的海底水合物泵送方案，可直接以海水作为冲击液带动涡轮马达转动，以涡轮马达作为螺旋泵叶的动力源，可以有效地实现海底水合物的持续泵送，同时本发明充分考虑了冲击液与泵液(海底水合物)流道的互不干涉，分别设计了两条通流通道，并设计了专门的密封结构可有效实现两种流体流动的互不影响。本发明的提出为研究海底水合物泵送装置的结构设计提供了重要的参考，具有较好的工程意义。

附图说明

图1是本发明一种海底水合物涡轮螺旋泵送装置结构示意图一

图2是本发明一种海底水合物涡轮螺旋泵送装置结构示意图二

图3是本发明一种海底水合物涡轮螺旋泵送装置结构示意图三

图4是本发明一种海底水合物涡轮螺旋泵送装置泵轮组件结构示意图

图5是本发明一种海底水合物涡轮螺旋泵送装置花键轴套结构示意图

图6是本发明一种海底水合物涡轮螺旋泵送装置涡轮马达组件结构示意图

图7是本发明一种海底水合物涡轮螺旋泵送装置涡轮轴结构剖视图

图8是本发明一种海底水合物涡轮螺旋泵送装置泵液出口密封件结构示意图

图9是本发明一种海底水合物涡轮螺旋泵送装置内壳总成结构剖视图

图10是本发明一种海底水合物涡轮螺旋泵送装置外壳总成结构剖视图

图11是本发明一种海底水合物涡轮螺旋泵送装置单级涡轮马达结构示意图

图中：

1、下端外壳，2、下端内壳，3、中间外壳，4、泵轴紧固螺帽，5、泵轴下端PDC轴承，6、泵轴，7、泵壳，8、螺旋泵叶，9、导流叶轮，10、内六角螺钉，11、涡轮轴下端PDC轴承，12、花键轴套，13、泵液出口过流套，14、涡轮马达壳，15、泵液出口导流套，16、泵液出口密封件，17、径向轴承，18、涡轮轴，19、冲击液出口导流套，20、冲击液出口过流套，21、涡轮出口定位套，22、涡轮马达，23、PDC轴承上定位套，24、PDC轴承下定位套，25、涡轮入口PDC轴承，26、冲击液入口过流套，27、涡轮入口定位套，28、冲击液入口导流套，29、止推轴承定位套，30、止推轴承，31、入口密封件定位套，32、入口密封件，33、涡轮轴紧固螺帽，34、上端内壳，35、涡轮轴前置导流套，36、上端外壳；

101、泵轮组件，102、涡轮马达组件，103、内壳总成，104、外壳总成；

161、外圈矩形密封环，162、紧固螺钉，163、内圈矩形密封环，164、左夹套，165、橡胶垫圈，166、内圈组合密封环，167、中间密封主体，168、外圈组合密封环，169、右夹套，

221、涡轮马达转子，222、涡轮马达定子

P1、冲击液流道，P2、泵液(海底水合物)流道。

具体实施方式

为使本发明一种海底水合物涡轮螺旋泵送装置的技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步说明。

如图1，图2，图3所示，所述一种海底水合物涡轮螺旋泵送装置主要包括泵轮组件101、涡轮马达组件102、内壳总成103、外壳总成104；所述泵轮组件101与涡轮马达组件102之间通过花键结构连接，泵轮组件101与涡轮马达组件102安装在内壳总成103内，所述内壳总成103安装在外壳总成104内。

如图1与图4所示，泵轮组件101包括泵轴6、泵轴紧固螺帽4、泵轴下端PDC轴承5、螺旋泵叶8、导流叶轮9、内六角螺钉10和花键轴套12；所述螺旋泵叶8焊接在泵轴6上，泵轴6两端开有螺纹，泵轴紧固螺帽4将泵轴下端PDC轴承5定位在螺旋泵叶8下端；所述导流叶轮9套在泵轴6上并位于螺旋泵叶8上端；所述花键轴套12通过螺纹与泵轴6连接并通过周向均布分布的四颗内六角螺钉10与泵轴6紧固。所述导流叶轮9可相对泵轴6自由旋转。

如图5所示，所述花键轴套12内孔开有螺纹，在螺纹孔段内沿周向开有均布分布的六个小孔，花键轴套12外侧则加工成花键的结构。

如图6所示，涡轮马达组件102包括涡轮轴下端PDC轴承11、泵液出口过流套13、泵液出口导流套15、泵液出口密封件16、涡轮轴18、径向轴承17、冲击液出口导流套19、冲击液出口过流套20、涡轮出口定位套21、涡轮马达22、PDC轴承上定位套23、PDC轴承下定位套24、涡轮入口PDC轴承25、冲击液入口过流套26、涡轮入口定位套27、冲击液入口导流套28、止推轴承定位套29、止推轴承30、入口密封件定位套31、入口密封件32、涡轮轴紧固螺帽33、涡轮轴前置导流套35；所述涡轮轴下端PDC轴承11安装在涡轮轴18下端，泵液出口过流套13套在涡轮轴18上，且一侧抵在涡轮轴下端PDC轴承11上，另一侧抵在泵液出口导流套15上；所述泵液出口密封件16共有两个，依次安装在径向轴承17左右两侧；所述冲击液出口导流套19安装在涡轮轴18上的开孔处；所述冲击液出口过流套20与涡轮出口定位套21安装在冲击液出口导流套19于与涡轮马达22之间，起定位作用；所述涡轮马达22由多级组成，如图11所示，每级分为涡轮马达定子222和涡轮马达转子221，涡轮马达定子222和涡轮马达转子221相间安装在涡轮轴18上，且涡轮马达转子221与涡轮轴18过盈配合，涡轮马达定子222与涡轮轴18间隙配合，所述涡轮入口PDC轴承25安装在涡轮轴18上且位于涡轮马达22上端；所述冲击液入口过流套26与涡轮入口定位套27分别安装在涡轮入口PDC轴承25与冲击液入口导流套28之间，入口导流套28起冲击液导流和一定的密封作用；所述止推轴承30安装在冲击液入口导流套28之后，起缓冲轴向力作用；所述入口密封件32安装在止推轴承30之后，起防止冲击液串流的作用；所述涡轮轴18上端还安装有涡轮轴前置导流套35，起到对涡轮轴18中的输出泵液导流作用。

如图7所示所述涡轮轴18左端加工有花键内孔，轴内加工有导流孔，并在导流孔末端开有沿周向均布分布的3个出口孔。

如图8所示，所述泵液出口密封件16还包括内外圈矩形密封环(163、161)、内外圈组合密封环(166、168)、橡胶垫圈165、紧固螺钉162、左右夹套(164、169)和中间密封主体167；所述左右夹套(164、169)内圈与外圈分别开有3个矩形凹槽，内外圈矩形密封环(163、161)与内外圈组合密封环(166、168)分别安装在凹槽内；所述中间密封主体167的内圈与外圈分别开有梯形槽，用以缓冲流体的流动；所述左右夹套(164、169)分别通过周向均布分布的四颗紧固螺钉162与中间密封主体167连接；所述橡胶垫圈165安装在左右夹套(164、169)与中间密封主体167之间。

如图9所示，内壳总成103包括下端内壳2、泵壳7、涡轮马达壳14及上端内壳34；所述下端内壳2、泵壳7、涡轮马达壳14及上端内壳34之间分别通过螺纹连接。所述下端内壳2一端开有锥螺纹，并沿周向均布焊接四个支撑块，所述上端内壳34与下端内壳2几何结构相同。所述涡轮马达壳14左右两侧分别开有沿周向均布分布的3个开孔分别对应冲击液入口孔和出口孔，左右两侧开孔处分别焊接有导流支撑筒，导流支撑筒内开有锥台孔用以导流和减小流体损失，导流支撑筒上开有矩形凹槽用以安装密封圈。

如图10所示，外壳总成104包括下端外壳1、中间外壳3、上端外壳36，所述下端外壳1、中间外壳3与上端外壳36之间通过螺纹连接。

如图2，图3所示，本发明一种海底水合物涡轮螺旋泵送装置装配时，泵轮组件101通过泵轴下端PDC轴承5安装定位在泵壳7左侧内筒内的台阶上，并通过下端内壳2将泵轴下端PDC轴承5抵紧，所述螺旋泵叶与泵壳7之间存在一定的间隙以避免产生摩擦，所述泵轮组件101中的导流叶轮9安装定位在泵壳7右侧内筒内的台阶上。所述涡轮马达组件102通过花键结构与泵轮组件101连接，并通过泵轮组件101内的涡轮轴下端PDC轴承与泵轮组件101中的导流叶轮9之间的定位套(图中未标注)实现定位，所述涡轮马达组件102右端通过上端内壳34完成定位。上端内壳34与下端内壳2实现了泵轮组件101与涡轮马达组件102在内壳总成103中的安装定位。

如图2，图3，图9，图10所示，内壳总成103分别通过下端外壳1、上端外壳36与下端内壳2与上端内壳34上的四个支撑块抵紧实现定位。

如图2，图3所示，本发明一种海底水合物涡轮螺旋泵送装置工作时，泵液(海水)通过冲击液流道P1从上端外壳36流入冲击涡轮马达22，使涡轮马达组件102旋转，并带动泵轮组件101旋转后从下端外壳1流出；泵液(海底水合物)通过泵液(海底水合物)流道P2从下端内壳2进入泵壳7中，螺旋泵叶8旋转，将泵液(海底水合物)沿着泵液(海底水合物)流道P2从涡轮轴18内孔流出。

以上仅为本发明一种海底水合物涡轮泵特性实验测试装置的示意性的具体实施方式，并不限定本发明的范围，任何本领域的技术人员在不同脱离本发明结构的基础上所做的等同变化或修改均在本发明保护范围内。

Claims (4)

1.一种海底水合物涡轮螺旋泵送装置，其特征在于：包括泵轮组件(101)、涡轮马达组件(102)、内壳总成(103)、外壳总成(104)；所述泵轮组件(101)与涡轮马达组件(102)之间通过花键结构连接，泵轮组件(101)与涡轮马达组件(102)安装在内壳总成(103)内，所述内壳总成(103)安装在外壳总成(104)内；所述涡轮马达组件(102)包括涡轮轴下端PDC轴承(11)、泵液出口过流套(13)、泵液出口导流套(15)、泵液出口密封件(16)、涡轮轴(18)、径向轴承(17)、冲击液出口导流套(19)、冲击液出口过流套(20)、涡轮出口定位套(21)、涡轮马达(22)、PDC轴承上定位套(23)、PDC轴承下定位套(24)、涡轮入口PDC轴承(25)、冲击液入口过流套(26)、涡轮入口定位套(27)、冲击液入口导流套(28)、止推轴承定位套(29)、止推轴承(30)、入口密封件定位套(31)、入口密封件(32)、涡轮轴紧固螺帽(33)、涡轮轴前置导流套(35)；所述涡轮轴下端PDC轴承(11)安装在涡轮轴(18)下端，泵液出口过流套(13)套在涡轮轴(18)上，且一侧抵在涡轮轴下端PDC轴承(11)上，另一侧抵在泵液出口导流套(15)上；所述泵液出口密封件(16)共有两个，依次安装在径向轴承(17)左右两侧；所述冲击液出口导流套(19)安装在涡轮轴(18)上的开孔处；所述冲击液出口过流套(20)与涡轮出口定位套(21)安装在冲击液出口导流套(19)于与涡轮马达(22)之间，起定位作用；所述涡轮马达(22)由多级组成，每级分为涡轮马达定子(222)和涡轮马达转子(221)，涡轮马达定子(222)和涡轮马达转子(221)相间安装在涡轮轴(18)上，且涡轮马达转子(221)与涡轮轴(18)过盈配合，涡轮马达定子(222)与涡轮轴(18)间隙配合，所述涡轮入口PDC轴承(25)安装在涡轮轴(18)上且位于涡轮马达(22)上端；所述冲击液入口过流套(26)与涡轮入口定位套(27)分别安装在涡轮入口PDC轴承(25)与冲击液入口导流套(28)之间，入口导流套(28)起冲击液导流和一定的密封作用；所述止推轴承(30)安装在冲击液入口导流套(28)之后，起缓冲轴向力作用；所述入口密封件(32)安装在止推轴承(30)之后，起防止冲击液串流的作用；所述涡轮轴(18)上端还安装有涡轮轴前置导流套(35)，起到对涡轮轴(18)中的输出泵液导流作用。

2.根据权利要求1所述的一种海底水合物涡轮螺旋泵送装置，其特征在于所述涡轮轴(18)左端加工有花键内孔，轴内加工有导流孔，并在导流孔末端开有沿周向均布分布的3个出口孔。

3.根据权利要求1所述的一种海底水合物涡轮螺旋泵送装置，其特征在于所述泵液出口密封件(16)还包括内外圈矩形密封环(163、161)、内外圈组合密封环(166、168)、橡胶垫圈(165)、紧固螺钉(162)、左右夹套(164、169)和中间密封主体(167)；所述左右夹套(164、169)内圈与外圈分别开有3个矩形凹槽，内外圈矩形密封环(163、161)与内外圈组合密封环(166、168)分别安装在凹槽内；所述中间密封主体(167)的内圈与外圈分别开有梯形槽，用以缓冲流体的流动；所述左右夹套(164、169)分别通过周向均布分布的四颗紧固螺钉(162)与中间密封主体(167)连接；所述橡胶垫圈(165)安装在左右夹套(164、169)与中间密封主体(167)之间。

4.根据权利要求1所述的一种海底水合物涡轮螺旋泵送装置，其特征在于内壳总成(103)包括下端内壳(2)、泵壳(7)、涡轮马达壳(14)及上端内壳(34)；所述下端内壳(2)、泵壳(7)、涡轮马达壳(14)及上端内壳(34)之间分别通过螺纹连接；所述下端内壳(2)一端开有锥螺纹，并沿周向均布焊接四个支撑块，所述上端内壳(34)与下端内壳(2)几何结构相同；所述涡轮马达壳(14)左右两侧分别开有沿周向均布分布的3个开孔分别对应冲击液入口孔和出口孔，左右两侧开孔处分别焊接有导流支撑筒，导流支撑筒内开有锥台孔用以导流和减小流体损失，导流支撑筒上开有矩形凹槽用以安装密封圈。

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