CN110056512A - 一种海底水合物涡轮泵特性实验测试装置 - Google Patents

Abstract

一种海底水合物涡轮泵特性实验测试装置主要包括泵壳、泵轴、涡轮壳、涡轮轴、泵进出口缓冲壳组件、涡轮进出口缓冲壳组件、泵进出口密封组件、涡轮进出口密封组件、十级泵叶、十级涡轮、左右密封法兰盖、左右法兰壳体、转矩传感器、转速传感器、轴向力传感器。本发明提供了一套针对海底水合物涡轮泵送装置的专业化实验装置，可直接对涡轮泵送装置设计的涡轮叶片和泵叶片进行联合测试，可以测量出涡轮叶片与泵叶片的进出口压差、涡轮输出功率、输出扭矩、泵叶片的输出效率等实际特性参数，为海底水合物涡轮泵送装置的性能设计与研究提供重要实验参数。

Description

一种海底水合物涡轮泵特性实验测试装置

技术领域

本发明涉及涡轮泵特性测试装备领域，特指一种海底水合物涡轮泵特性实验测试装置。

背景技术

天然气水合物作为一种具有极高价值的新型非常规油气资源被认为是21世纪最有潜力的接替能源,其巨大的资源潜力以及对环境的潜在影响吸引着世界各国勘查、试验开采。美国、加拿大、德国、挪威以及我国周边的日本、印度、韩国、越南等国家纷纷制定了天然气水合物长期研究计划。《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，但现有油气装备没有能同时实现水合物破碎与泵送回收的成熟装备，因此，有必要研究并开发与流化开采配套的专用涡轮泵送装备及其实验特性装置以验证装备设计的实际性能是否符合要求，这对提高海底水合物开采泵送效率至关重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种海底水合物涡轮泵特性实验测试装置，解决现有背景技术下没有配套专用的实验装置问题，同时解决海底水合物涡轮泵送装置的涡轮叶片及泵叶片的性能测试难题。

本发明所采用的技术方案是，一种海底水合物涡轮泵特性实验测试装置。

所述一种海底水合物涡轮泵特性实验测试装置主要包括泵壳、泵轴、涡轮壳、涡轮轴、泵进出口缓冲壳组件、涡轮进出口缓冲壳组件、泵进出口密封组件、涡轮进出口密封组件、十级泵叶、十级涡轮、左右密封法兰盖、左右法兰壳体、转矩传感器、转速传感器、轴向力传感器：其中泵壳一端连接左法兰壳体，一端连接涡轮壳，泵进出口缓冲壳组件分别安装在泵壳两处开孔处；涡轮壳一端连接泵壳，一端连接右法兰壳体；泵轴安装在泵壳内；涡轮轴安装在涡轮壳内；泵进出口密封组件和十级泵叶安装在泵轴上；涡轮进出口密封组件十级涡轮安装在涡轮轴上；左右密封法兰盖分别安装在左右法兰壳体上；转矩传感器通过联轴器与泵轴连接；转速传感器与轴向力传感器安装在涡轮轴右端。

进一步技术方案中，泵壳靠近其左右两端处分别沿周向开有三个均布分布的通流孔，并与安装在泵壳内的泵进口过流套和泵出口过流套上的开孔匹配，泵壳两端分别开有内螺纹与外螺纹，分别与左法兰壳体与涡轮壳通过螺纹连接。

进一步技术方案中，涡轮壳靠近其左右两端处分别沿周向开有三个均布分布的通流孔，并与安装在涡轮壳内的涡轮进口过流套和涡轮出口过流套上的开孔匹配，涡轮壳两端分别开有内螺纹与外螺纹，分别与右法兰壳体与泵壳通过螺纹连接。

进一步技术方案中，泵轴右端加工为矩形花键，涡轮轴左端加工有矩形花键孔，泵轴与涡轮轴通过花键结构连接。

进一步技术方案中，泵出口缓冲组件包括上端盖、下端盖、法兰接管，紧固螺钉、第一密封圈、第二密封圈；上端盖两侧分别开有9个螺纹孔，靠近中间位置处以45°角焊接法兰接管，法兰接管侧部开有两个小孔用于安装泵出口压力-流量传感器，上端盖的下端面开有两条并列的矩形密封沟槽；下端盖与上端盖具有相同的几何结构，第一密封圈与第二密封圈安装在下端盖两条矩形密封沟槽内；上端盖与下端盖通过紧固螺钉连接，泵出口缓冲组件与泵进口缓冲壳组件和涡轮进出口缓冲壳组件具有相同的结构。

进一步技术方案中，泵出口密封组件包括密封套、环形橡胶垫、旋紧螺钉、第一橡胶圈、第二橡胶圈、密封紧固端盖：密封套内部开有梯形通流缓冲槽和密封圈安装槽；环形橡胶垫安装在密封套与密封紧固端盖中间；旋紧螺钉将密封套、环形橡胶垫与密封紧固端盖紧固连接；第一橡胶圈与第二橡胶圈安装在密封套内的密封圈安装槽内，泵出口密封组件与泵进口密封组件和涡轮进出口密封组件具有相同的结构。

综上所述，本发明一种海底水合物涡轮泵特性实验测试装置有益效果为：本发明开发了一套针对海底水合物涡轮泵送装置的专业化实验装置，可直接对涡轮泵送装置设计的涡轮叶片和泵叶片进行联合测试，可以测量出涡轮叶片与泵叶片的进出口压差、涡轮输出功率、输出扭矩、泵叶片的输出效率等实际特性参数，为海底水合物涡轮泵送装置的性能设计研究提供重要实验参数。

附图说明

图1是本发明一种海底水合物涡轮泵特性实验测试装置结构示意图一

图2是本发明一种海底水合物涡轮泵特性实验测试装置结构示意图二

图3是本发明一种海底水合物涡轮泵特性实验测试装置泵壳结构示意图。

图4是本发明一种海底水合物涡轮泵特性实验测试装置泵轴结构示意图

图5是本发明一种海底水合物涡轮泵特性实验测试装置涡轮壳结构示意图

图6是本发明一种海底水合物涡轮泵特性实验测试装置涡轮轴结构示意图

图7是本发明一种海底水合物涡轮泵特性实验测试装置泵进口缓冲壳组件示意图

图8是本发明一种海底水合物涡轮泵特性实验测试装置泵进口密封组件结构示意图

图9是本发明一种海底水合物涡轮泵特性实验测试装置实验原理示意图

图中：

1、转矩传感器支架，2、转矩传感器，3、联轴器，4、左密封法兰盖，5、左止推轴承，6、左法兰壳体，7、泵出口密封组件，8、泵出口密封组件定位套，9、泵出口密封橡胶圈，10、泵出口导流环，11、泵轴，12、泵出口压力流量传感器，13、泵出口缓冲壳组件，14、泵出口过流套，15、第一支架，16、十级泵叶，17、泵壳，18、泵进口过流套，19、密封圈，20、泵进口缓冲组件，21、泵进口压力-流量传感器，22、泵进口密封橡胶圈，23、泵进口密封件定位套，24、泵进口密封组件，25、径向轴承1，26、第二支架，27、涡轮轴，28、涡轮出口密封组件，29、涡轮出口密封件定位套，30、涡轮出口导流环，31、涡轮出口密封橡胶圈，32、涡轮出口过流套。33、涡轮出口压力-流量传感器，34、涡轮出口缓冲壳组件，35、十级涡轮，36、涡轮进口缓冲壳组件，37、涡轮进口压力-流量传感器，38、涡轮进口过流套，39、涡轮进口密封橡胶圈，40、涡轮进口密封件定位套，41、涡轮进口密封组件，42、径向轴承2，43、第三支架，44、涡轮壳，45、右法兰壳体，46、右止推轴承，47、右密封法兰盖，48、转速传感器，49、转速传感器支架，50、轴向力传感器，51、轴向力传感器定位台，52、底座，53、涡轮进口管，54、涡轮出口管，55、动力泵进口管，56、泵进口管，57、泵出口管，101、海底水合物涡轮泵特性实验测试装置，102、冲击液储箱，103、冲击液动力泵，104、泵液储箱，105、传感器数据线，106、信号处理盒，107，数据处理终端，131、上端盖，132、下端盖，133、法兰接管，134、紧固螺钉，135、第一密封圈，136、第二密封圈，701、密封套，702、环形橡胶垫，703、旋紧螺钉，704、第一橡胶圈，705、第二橡胶圈。

具体实施方式

为使本发明一种海底水合物涡轮泵特性实验测试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所示为一种海底水合物涡轮泵特性实验测试装置结构示意图，测试装置主要包括泵壳17、泵轴11、涡轮壳44、涡轮轴27、泵进出口缓冲壳组件(20、13)、涡轮进出口缓冲壳组件(36、34)、泵进出口密封组件(24、7)、涡轮进出口密封组件(41、28)、十级泵叶16、十级涡轮35、左右密封法兰盖(4、47)、左右法兰壳体(6、45)、转矩传感器2、转速传感器48、轴向力传感器50：左密封法兰盖4通过螺钉与左法兰壳体6紧固连接，左法兰壳体6通过螺纹与泵壳17连接，泵壳17右侧通过螺纹连接涡轮壳44，涡轮壳44右侧通过螺纹连接右法兰壳体45，右密封法兰盖47通过螺钉与右法兰壳体45紧固连接。如图3、图5所示，泵壳17和涡轮壳44两侧分别开有沿周向均布分布的三个开孔，分别对应流体进口和出口，泵进出口缓冲壳组件(20、13)与涡轮进出口缓冲壳组件(36、34)分别安装在泵壳17和涡轮壳44的两端开孔处。所述泵壳17与涡轮壳44分别通过第一支架15、第二支架26、第三支架43支撑，第一支架15、第二支架26、第三支架43分别通过螺钉安装在底座52上。

如图1、图2、图4、图6所示，泵轴11从右到右依次安装径向轴承125，泵进口密封组件24，泵进口密封件定位套23，泵进口密封橡胶圈22，泵进口过流套18，十级泵叶16，泵出口过流套14，泵出口导流环10，泵出口密封橡胶圈9，泵出口密封件定位套8，泵出口密封组件7，泵轴11左侧贯穿左密封法兰盖4，通过联轴器3与转矩传感器2连接；涡轮轴27从右到左依次安装径向轴承242，涡轮进口密封组件41，涡轮进口密封件定位套40，涡轮进口密封橡胶圈39，涡轮进口过流套18，十级涡轮35，涡轮出口过流套32，涡轮出口导流环30，涡轮出口密封橡胶圈31，涡轮出口密封件定位套29，涡轮出口密封组件28，涡轮轴27右侧贯穿有密封法兰盖47与转速传感器48和轴向力传感器50连接。转矩传感器2、转速传感器48和轴向力传感器50分别通过转矩传感器支架1、转速传感器支架49和轴向力传感器定位台51安装在底座52上。涡轮轴27左侧与泵轴11右侧通过花键-花键孔结构连接，可很好地传递扭矩。

如图7所示，泵出口缓冲组件13起到流体的缓冲与空间扩容作用，可减小流体流动的能量损耗。泵出口缓冲组件13包括上端盖131、下端盖132、法兰接管133，紧固螺钉134、第一密封圈135、第二密封圈136；上端盖131两侧分别开有9个螺纹孔，靠近中间位置处以45°角焊接法兰接管133，法兰接管133侧部开有两个小孔用于安装泵出口压力-流量传感器12，上端盖131的下端面开有两条并列的矩形密封沟槽；下端盖132与上端盖131具有相同的几何结构，第一密封圈135与第二密封圈136安装在下端盖两条矩形密封沟槽内；上端盖131与下端盖132通过紧固螺钉134连接，泵出口缓冲组件13与泵进口缓冲壳组件20和涡轮进出口缓冲壳组件(36、34)具有相同的结构。

如图8所示为泵出口密封组件结构示意图，包括密封套701、环形橡胶垫702、旋紧螺钉703、第一橡胶圈704、第二橡胶圈705、密封紧固端盖706：密封套701内部开有梯形通流缓冲槽和密封圈安装槽；环形橡胶垫702安装在密封套701与密封紧固端盖706中间；旋紧螺钉703将密封套701、环形橡胶垫702与密封紧固端盖706紧固连接；第一橡胶圈704与第二橡胶圈705安装在密封套701内的密封圈安装槽内，这种密封结构能够有效防止泵液串流到其它空间。泵出口密封组件7与泵进口密封组件24和涡轮进出口密封组件(41、28)具有相同的结构。

如图1、图2、图9所示。海底水合物涡轮泵特性实验测试装置101外围设备包括涡轮进口管53、涡轮出口管54，动力泵进口管55、泵进口管56、泵出口管57、冲击液储箱102、冲击液动力泵103、泵液储箱104、传感器数据线105、信号处理盒106、数据处理终端107。泵出口管57一端安装在海底水合物涡轮泵特性实验测试装置101内的泵出口缓冲壳组件13上的法兰接管133上，一端安装在泵液储箱104上；泵进口管56一端安装在海底水合物涡轮泵特性实验测试装置101内的泵进口缓冲壳组件20上的法兰接管上，一端安装在泵液储箱104靠近底部位置处；涡轮进口管53一端安装在海底水合物涡轮泵特性实验测试装置101内的涡轮进口缓冲壳组件36上的法兰接管上，一端安装在冲击液动力泵103出口；涡轮出口管54一端安装在海底水合物涡轮泵特性实验测试装置101内的涡轮出口缓冲壳组件34上的法兰接管上，一端安装在冲击液储箱102上；动力泵进口管55一端安装在冲击液储箱102靠近底部位置处，一端安装在冲击液动力泵103入口；涡轮进出口压力-流量传感器(37、33)和泵进出口压力-流量传感器(21、12)分别安装在涡轮进出口缓冲壳组件(36、34)和泵进出口缓冲壳组件(20、13)上的法兰接管侧部，并通过传感器数据线105将信号传递给信号处理盒106，并最终将信号传递到数据处理终端107。

如图1、图2、图9所示，海底水合物涡轮泵特性实验测试装置101工作时，冲击液动力泵103将冲击液储箱102中的冲击液通过涡轮进口管53泵送至涡轮进口缓冲壳组件36，通过涡轮壳44和涡轮进口过流套38沿周向均布分布的三个开孔进入到内部流道，并冲击所要测试的十级涡轮35，涡轮进口密封橡胶圈39和涡轮进口密封组件41可以防止冲击液流入左侧空间，随后通过涡轮壳44的出口开孔流入到涡轮出口缓冲壳组件34内，涡轮出口导流环30起到导流作用，冲击液经过涡轮出口管54回流至冲击液储箱102内，形成冲击液的循环流动。涡轮进出口压力-流量传感器(37、33)分别测量进口与出口处的流体压力与流量，转速传感器48与轴向力传感器50分别测量涡轮轴27的转速与轴向力；涡轮轴27与泵轴11通过花键-花键孔结构连接并传递扭矩，泵轴11带动轴上十级泵叶16的转子叶轮快速转动，在十级泵叶16右侧形成低压，将泵叶储箱内的流体通过泵进口管56和泵进口缓冲壳组件20抽吸到十级泵叶16的流道内，流体经过泵出口过流套14和泵壳17左侧沿周向均布分布的三个开孔流入到泵出口缓冲壳组件13，泵出口导流环10起到导流作用，泵液流体经过泵出口管57回流至泵液储箱104，形成流动循环。泵进出口压力-流量传感器(21、12)分别测量泵入口和出口处的流体压力与流量，转矩传感器2测量涡轮轴27的转矩输出。涡轮进出口压力-流量传感器(37、33)、泵进出口压力-流量传感器(21、12)、转速传感器48、轴向力传感器50与转矩传感器2通过传感器数据线105将信号传递到信号处理盒106进行预处理，并最终通过数据处理终端107对涡轮叶片和泵叶片的各项试验参数进行计算与显示，生成相关的特性曲线。

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 (8)

1.所述一种海底水合物涡轮泵特性实验测试装置包括涡轮马达总成(1001)，泵轮总成(1002)、外壳总成(1003)、支架总成(1004)和传感器总成(1005)；所述涡轮马达总成(1001)与泵轮总成(1002)之间通过花键结构连接，所述涡轮马达总成(1001)与泵轮总成(1002)分别安装在外壳总成(1003)内，外壳总成(1003)与传感器总成(1005)分别安装在支架总成(1004)上。

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，其特征在于马达总成(1001)包括涡轮轴(27)、涡轮出口密封组件(28)、涡轮出口密封件定位套(29)、涡轮出口导流环(30)、涡轮出口密封橡胶圈(31)、涡轮出口过流套(32)、十级涡轮(35)、涡轮进口过流套(38)、涡轮进口密封橡胶圈(39)、涡轮进口密封件定位套(40)、涡轮进口密封组件(41)、径向轴承2(42)、右止推轴承(46)；所述涡轮轴(27)左侧有一段花键轴结构；所述涡轮出口密封组件(28)安装在涡轮轴(27)左端，涡轮出口密封件定位套(29)与涡轮出口密封橡胶圈(31)分别安装在涡轮出口密封组件(28)与涡轮出口导流环(30)之间；所述涡轮出口过流套(32)安装在涡轮出口导流环(30)与十级涡轮(35)之间；所述涡轮进口过流套(38)与涡轮进口密封件定位套(40)分别安装在十级涡轮(35)与涡轮进口密封组件(41)之间；径向轴承2(42)安装在涡轮进口密封组件(41)右侧。

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，其特征在于泵轮总成(1002)包括泵轴(11)、左止推轴承(5)、泵出口密封组件(7)、泵出口密封件定位套(8)、泵出口密封橡胶圈(9)、泵出口导流环(10)、泵出口过流套(14)、十级泵叶(16)、泵进口过流套(18)、泵进口密封橡胶圈(22)、泵进口密封件定位套(23)、泵进口密封组件(24)、径向轴承(125)；所述泵轴(11)右端加工为矩形花键；所述十级泵叶(16)安装在泵轴(11)上，所述十级泵叶(16)左右两侧分别依次对称安装泵出口过流套(14)与泵进口过流套(18)、泵出口密封橡胶圈(9)与泵进口密封橡胶圈(22)、泵出口密封件定位套(8)与泵进口密封件定位套(23)、泵出口密封组件(7)与泵进口密封组件(24)、所述左止推轴承安装在泵轴左侧；所述泵出口导流环(10)安装在泵出口密封橡胶圈(9)右侧，对泵液起导流和减弱流动冲击损失的作用。

4.根据权利要求3所述的一种海底水合物涡轮螺旋泵送装置，其特征在于所述泵出口密封组件结构示意图，包括密封套(701)、环形橡胶垫(702)、旋紧螺钉(703)、第一橡胶圈(704)、第二橡胶圈(705)、密封紧固端盖(706)：密封套(701)内部开有梯形通流缓冲槽和密封圈安装槽；环形橡胶垫(702)安装在密封套(701)与密封紧固端盖(706)中间；旋紧螺钉(703)将密封套(701)、环形橡胶垫(702)与密封紧固端盖(706)紧固连接；第一橡胶圈(704)与第二橡胶圈(705)安装在密封套(701)内的密封圈安装槽内，这种密封结构能够有效防止泵液串流到其它空间，泵出口密封组件(7)与泵进口密封组件(24)和涡轮进出口密封组件(41、28)具有相同的结构。

5.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，其特征在于外壳总成(1003)包括左右密封法兰盖(4、47)、左右法兰壳体(6、45)、泵壳(17)、涡轮壳(44)、泵进出口缓冲壳组件(20、13)、涡轮进出口缓冲壳组件(36、34)；所述左右密封法兰盖(4、47)对应与左右法兰壳体(6、45)通过周向均布分布的6颗紧固螺钉连接；所述左法兰壳体(6)、泵壳(17)、涡轮壳(44)、右法兰壳体(45)之间依次通过螺纹连接；所述泵壳(17)与涡轮壳(44)左右两侧分别开有沿周向均布分布的三个通流孔；所述泵进出口缓冲壳组件(20、13)与涡轮进出口缓冲壳组件(36、34)分别安装在泵壳(17)和涡轮壳(44)上右侧和左侧通流开孔处。

6.根据权利要求5所述的一种海底水合物涡轮螺旋泵送装置，其特征在于所述泵出口缓冲组件(13)起到流体的缓冲与空间扩容作用，可减小流体流动的能量损耗，泵出口缓冲组件(13)包括上端盖(131)、下端盖(132)、法兰接管(133)，紧固螺钉(134)、第一密封圈(135)、第二密封圈(136)；上端盖(131)两侧分别开有9个螺纹孔，靠近中间位置处以45°角焊接法兰接管(133)，法兰接管(133)侧部开有两个小孔用于安装泵出口压力-流量传感器(12)，上端盖(131)的下端面开有两条并列的矩形密封沟槽；下端盖(132)与上端盖(131)具有相同的几何结构，第一密封圈(135)与第二密封圈(136)安装在下端盖两条矩形密封沟槽内；上端盖(131)与下端盖(132)通过紧固螺钉(134)连接，泵出口缓冲组件(13)与泵进口缓冲壳组件(20)和涡轮进出口缓冲壳组件(36、34)具有相同的结构。

7.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，其特征在于支架总成(1004)包括底座(52)、转矩传感器支架(1)、第一支架(15)、第二支架(26)、第三支架(43)、转速传感器支架(49)、轴向力传感器定位台(51)；所述转矩传感器支架(1)、第一支架(15)、第二支架(26)、第三支架(43)、转速传感器支架(49)、轴向力传感器定位台(51)通过螺钉紧固在底座(52)上；所述第一支架(15)、第二支架(26)、第三支架(43)分别支撑在外壳总成(1003)右侧，中间和左侧用以保持外壳总成(1003)平衡。

8.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，其特征在于传感器总成(1005)包括转矩传感器(2)、转速传感器(48)、轴向力传感器(50)；所述转矩传感器(2)、转速传感器(48)、轴向力传感器(50)安装在支架总成(1004)上。