CN110226036A - 具有摆动盘的筒式活塞泵 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种包括摆动盘(7)的筒式活塞泵(1)，其中，旋转盘(2)相对于驱动轴(5)的倾斜角可借助于具有指状物的球接头(8)来进行调节。

Description

具有摆动盘的筒式活塞泵
本发明涉及泵的领域，具体是用于高压泵送的泵，尤其是用于钻井作业的泵。
目前，曲轴驱动泵是在所有工业部门中使用最广泛的：生产资料、石油、煤气和食品工业、汽车工业、建筑工业(供暖、井、空调、水泵等)，并且更具体地用于水和废物处理(水网络和排水系统)。然而，它们仍然是基于1930年代的观念来制造的，且已进行了非常少的研究和开发调查以改进它们的性能、降低它们的成本价格、最小化它们的维护成本或减少它们对环境的影响。这些泵在功率、压力/流速扭矩(受由曲轴的正弦压力产生的“压力激增”限制)、重量、效率和使用寿命方面具有限制。此外，它们不允许具有可变的排量，并且因此它们在使用中缺乏灵活性。
此外，在烃类生产领域中，目前观察到的是，井筒需要达到越来越大的深度，这涉及在越来越高的注入压力下工作。因此，石油公司需要超高压泵(例如用于钻井泥浆注入)以达到所需深度。这些泵还必须是可靠的、经济的、灵活的和紧凑的，以便满足能源部门越来越严格的要求。
另一种正排量泵技术是筒式活塞泵。它主要用于在较低压力和流速下进行泵送(它主要用于泵送液压油)，并且它具有许多优点：
·优异的重量/功率比
·非常良好的性能/价格比
·有利的机械和容积效率
·通过调节盘的倾斜度的可变排量能力。
设计为具有筒的泵借助于旋转盘系统运行，该旋转盘系统一个接一个地致动各个活塞。当活塞处于吸入阶段时，相对的活塞处于输送模式，这在泵上游和下游提供了恒定的流量。由筒引导的活塞位置的分布确保了在由马达驱动的轴旋转时力的渐进分布。
有三种主要的筒式活塞泵结构：
·固定的筒式活塞泵(图1)：在泵1的这种构造中，在筒固定的情况下，旋转的是倾斜盘2(由轴5驱动)，以便产生活塞3在其套筒4中的运动。活塞3与盘2之间的连结则由在盘2上摩擦的球接头垫确保。该结构的优点是旋转部件的惯性非常小。
·旋转的筒式活塞泵(图2)：在泵1内，固定的是盘2，而承载活塞3的筒6旋转，这确保了活塞3在其套筒4中的运动。.活塞3和盘2之间的连结以与第一种结构相同的方式确保。这种结构的优点是，可轻易地使盘在倾斜度方面可调节，从而可能具有可变的排量。另一方面，由于筒和所有活塞旋转，所以旋转部件的惯性以并非可忽视的方式增加；
·带有摆动盘的筒式活塞泵：在这种结构中，筒是固定的，并且有两个盘，第一倾斜盘旋转并且仅将摆动运动传递到第二盘。因此，可例如借助通过球接头连结部来连结到活塞和盘的连杆来将活塞连结到第二摆动盘而不需要摩擦构件。由于没有摩擦元件，它是唯一适于高压泵送的结构(此外，它们中的一些可以在地热能市场上找到)。其也提供了优异的机械效率。
在下列专利申请中描述了其中旋转盘的倾斜度可调节的可变排量筒式活塞泵的示例：US 2014/0186196、US 6,176,684、US 5,295,796。对于这些专利申请中描述的泵，倾斜度调节系统是伺服活塞或具有电动马达和凸轮的系统、或是液压系统。这些系统是复杂的，并且它们不是完全令人满意的。
为了克服这些缺点，本发明涉及一种带有摆动盘的筒式活塞泵，其中，旋转盘相对于驱动轴的倾斜角可借助指状球接头进行调节。因此，盘的倾斜度是连续可调的，这使得能够实现可变排量。此外，根据本发明的泵由于单位缸排量的连续变化而提供了良好的灵活性，并且由于泵的渐进运行的可能性而提供了良好的可靠性。此外，以筒式活塞泵的形式来实施允许泵的紧凑设计。
发明内容
本发明涉及一种筒式活塞泵，包括壳体，并且在所述壳体内包括：
-驱动轴，
-由所述驱动轴驱动的旋转盘，
-摆动盘，其由所述旋转盘引起摆动，并且所述摆动盘相对于所述旋转盘绕所述旋转盘的轴线可枢转地连接，
-缸体，其包括至少两个周向分布的压缩室，以及
-至少两个活塞，其分别在所述缸体的所述压缩室中平移，所述活塞借助连杆由所述摆动盘驱动，
所述旋转盘借助指状球接头由所述驱动轴驱动，所述指状球接头的位置确定所述旋转盘和所述旋转斜盘相对于所述驱动轴的倾斜度。
根据本发明的一实施例，泵包括回复杆，所述回复杆与所述壳体和所述摆动盘以球接头连接。
有利地，所述旋转盘和所述摆动盘相对于所述驱动轴的轴线的倾斜角在70°至90°之间的范围内。
根据一种实施方式，所述旋转盘包括所述指状球接头的指状物在其中运动的沟槽，所述沟槽基本上平行于所述驱动轴的轴线。
根据一实施例选项，所述泵包括用于控制所述旋转盘相对于所述驱动轴的倾斜度的装置。
根据第一变型，所述控制装置的能量来自所述泵外部的源，具体是借助于受压流体。
根据第二变型，所述控制装置的能量取自所述驱动轴。
有利地，所述缸体相对于所述壳体是固定的。
此外，本发明涉及一种根据上述特征之一的所述筒式活塞泵在钻井作业中的用途，特别是用于将钻井泥浆注入到井筒中的用途。
附图说明
根据本发明的设备的其它特征和优点将通过参照附图并阅读以非限制性示例的方式给出的对实施例的以下描述中显现，附图中：
--已描述过的图1示出了根据现有技术的固定的筒式活塞泵。
--已描述过的图2示出了根据现有技术的旋转的筒式活塞泵。
--图3示出根据本发明的一实施例的泵。
-图4示意地示出根据本发明的一实施例的泵。
-图5示出处于三个位置中的根据本发明的一实施例的指状球接头。
-图6示出了对于各种传动(变速)比的根据本发明的泵的压力与流速关系曲线，其中，盘相对于驱动轴的轴线倾斜87°。
-图7示出了对于各种传动(变速)比的根据本发明的泵的压力与流速关系曲线，其中，盘相对于驱动轴的轴线倾斜70°。
具体实施方式
本发明涉及一种带有摆动盘的筒式活塞泵。筒式活塞泵的目的是通过多个活塞的线性位移来泵送流体(例如水、油、气、钻井泥浆等)。这种类型的泵具有紧凑、具有有利的机械和容积效率，以及优异的重量/功率比的优点。此外，带有摆动盘的筒式活塞泵适于高压泵送。
根据本发明的筒式活塞泵包括壳体，并且在壳体内包括：
-驱动轴，其由外部能量源、特别是原动机(例如热或电原动机)、具体是借助传动装置(例如变速箱)来驱动相对于壳体旋转，
-由驱动轴驱动的旋转盘：旋转盘相对于驱动轴倾斜；旋转盘的倾斜使旋转盘产生摆动运动；旋转盘相对于壳体具有旋转运动和摆动运动，
-通过旋转盘而被引起摆动的摆动盘：摆动盘相对于旋转盘绕旋转盘的轴线可枢转地连接；旋转盘仅将摆动运动传递到摆动盘而不传递旋转运动，
-缸体(称为筒)包括至少两个周向分布(换言之，沿圆周分布)的压缩室(也称为套筒)，以及
-至少两个活塞，其分别在压缩室中平移，这些活塞由摆动盘借助连杆驱动(连杆借助球接头连结以连接摆动盘和活塞，从而将摆动运动转换成活塞的平移运动)，并且活塞在压缩室中的平移实现流体的泵送。
根据本发明，旋转盘借助指状球接头由驱动轴驱动，指状球接头的位置确定了两个盘(旋转盘和摆动盘)相对于驱动轴的倾斜度。需要提醒的是，指状球接头连结是两个元件(这里是驱动轴和旋转盘)之间的连结，其具有四个连结度(degréde liaison)和两个相对运动度(degréde mouvement relatif)；仅两种相对旋转是可能的，三种平移和最后一种旋转是连结的。通常，它是设有防止旋转的指状物的球接头。对于本发明，球接头连结的指状物允许调节盘相对于驱动轴的倾斜度。实际上，泵包括用于控制指状球接头并因此控制盘相对于驱动轴的倾斜度的装置。
因此，旋转盘和摆动盘的倾斜度是连续可调的，这允许可变排量。实际上，盘的倾斜度影响活塞的冲程。此外，由于单位缸排量的连续变化，根据本发明的泵允许良好的灵活性。此外，由于泵的渐进运行的可能性，根据本发明的泵允许良好的可靠性：例如，在启动时，倾斜角可以是较小的，并且随后，其可以根据期望的条件(流体流速和压力)而增大。这种可靠性不能通过其盘倾斜度是固定的泵或其盘倾斜度不能连续变化的泵来获得。
盘可大致具有圆盘的形状。然而，盘可具有任何形状。只是压缩室(和活塞)要布置在圆周上。
有利地，根据本发明的泵可以包括的活塞数量范围在三个至十五个之间、优选地在五个至十一个之间。因此，大量活塞提供了泵上游和下游的连续流。
因此，借助这种系统，在入口(驱动轴)处的旋转运动首先被转换成摆动运动(摆动盘)，然后被转换成平移运动，即往复运动(活塞)。活塞在压缩室中的往复运动确保了流体的泵送。
通常，泵还包括用于待泵送流体的入口和出口。流体穿过泵入口，流入压缩室，被压缩，然后借助于活塞通过出口被从泵中排出。
另外，通常，枢转连结由滑动轴承或滚动轴承组成，从而有利于各元件的相对运动。
根据本发明的一实施例，通过在设置在旋转盘中的沟槽中移动球接头的指状物，可以实现对倾斜度的调节，其中，该沟槽的轴线可以平行于驱动轴的旋转轴线。
根据本发明的实施方式，可以以不同的方式提供对倾斜度(例如指状物在沟槽中的移动)的连续调节，例如借助通过特定回路向指状球接头供应的受压流体。
根据本发明的构思，调节倾斜度(例如，指状物在沟槽中的运动)所需的能量可以取自用于输入轴的能量。替代地，调节倾斜度所需的能量可以来自外部源(例如电动马达)。
优选地，缸体(或筒)相对于壳体固定。因此，用于实现泵送的能量供应仅通过驱动轴的旋转在驱动轴处提供；因此，旋转部件的数量受到限制。
根据本发明的一实施例选项，泵还包括回复杆。回复杆设置在摆动盘与壳体之间。回复杆与壳体和摆动盘以球接头连接。回复杆使得可以防止摆动盘围绕其轴线的旋转运动。因此，摆动盘仅由摆动运动带动。
由于摆动盘没有旋转运动，所以在摆动盘和将运动传递到活塞的杆之间不可能插设摩擦元件。
根据本发明的一实施例，旋转盘相对于驱动轴的轴向方向的倾斜角在70°至90°之间的范围内。换句话说，旋转盘(更不用说摆动盘)相对于驱动轴的径向方向倾斜范围在0°至20°之间的角度。
图3和图4通过非限制性示例示意地示出根据本发明的一实施例的筒式活塞泵。图3是三维视图，其中未示出壳体和压缩室。图4是泵的运动简图。在这些图中示出单个活塞3。然而，根据本发明的泵包括在缸体内周向分布的至少两个活塞。
对于根据所示实施例的泵1，驱动轴5旋转地安装在壳体11中。驱动轴5的旋转由外部源(未示出)、例如电机和变速箱实现。驱动轴5借助指状球接头连结8驱动旋转盘2。指状球接头的位置允许对旋转盘2相对于驱动轴5的倾斜度进行调节。旋转盘2由围绕旋转盘的轴线的枢转连结来连结到摆动盘7。泵1还包括借助球接头连结设置在摆动盘7与壳体11之间的回复杆9。回复杆9防止摆动盘7围绕其轴线旋转。泵1包括被带动在压缩室4内平移运动(往复运动)的活塞3。压缩室4属于相对于壳体11固定的缸体(筒)。活塞3的往复运动借助连杆10实现，连杆10借助球接头连结来连接摆动盘7和活塞3。活塞3在压缩室4内的这种往复运动允许泵送流体。
图5通过非限制性示例示意地示出了根据本发明的一实施例的处于三个位置中的指状球接头，以便示出旋转盘与驱动轴之间的相对运动。在该图中，旋转盘2部分地示出：仅示出了旋转盘2的中心部分。驱动轴5与旋转盘2之间的指状球接头8由两个球状部分之间的球接头连结和在形成于旋转盘2中的沟槽13中移位的指状物12组成。沟槽13平行于驱动轴5的轴线。因此，在旋转盘2与驱动轴之间仅允许两种旋转。要注意的是，对指状物12在沟槽13中的位置的调节允许调节旋转盘2相对于驱动轴5的倾斜角。
本发明还涉及根据本发明的泵用于钻井作业的用途，特别是用于将钻井泥浆注入到井筒中。实际上，根据本发明的泵由于其灵活性、紧凑性和耐高压性而非常适于该用途。
例如，根据本发明的泵的尺寸可以设计成在高达1500巴(bar)(即150MPa)的量级的压力下作业。此外，根据本发明的泵的尺寸可以设计成在30至600m3/h的范围内变化的流速下作业。
示例
通过阅读下面的应用示例，根据本发明的系统的特征和优点将更明显。
该示例涉及根据本发明的筒式活塞泵，其中，驱动轴借助八速变速箱连接到原动机。它是包括五个活塞的2500马力(大约1900kW)的筒式活塞泵。表1示出了驱动轴转速与传动比的关系。
表1
通过该示例，特别地示出了盘的倾斜角对于根据本发明的筒式活塞泵的压力和流速的影响。
图6示出了对于各种传动比(由第一、第二、第三、……、第八表示)的根据本发明的泵的压力P(以巴(bar)为单位)与流速D(以m3/h为单位)关系曲线，其中，盘相对于驱动轴的轴线倾斜87°(换言之，相对于驱动轴的径向方向成3°的角度)。
图7示出了对于各种传动比(由第一、第二、第三、……、第八表示)的根据本发明的泵(与对于图6所使用的相同的泵)的压力与流速关系曲线，其中，盘相对于驱动轴的轴线倾斜70°(换言之，相对于驱动轴的径向方向成20°的角度)。
注意到，(旋转和摆动)盘的接近90°的倾斜角会比盘的接近70°的倾斜角允许更高的压力。此外，盘的接近70°的倾斜角比盘的接近90°的倾斜角允许更高的流速(由于可变的排量)。因此，可以根据期望的泵送条件(压力、流速)来调适盘的倾斜度。还应指出，借助各种传动比，驱动轴的转速影响流体的压力和流速：低速时压力较高，而高速时流速较高。

Claims (9)

1.一种筒式活塞泵，包括壳体(11)，并且在所述壳体(11)内包括：
-驱动轴(5)，
-由所述驱动轴(5)驱动的旋转盘(2)，
-摆动盘(7)，所述摆动盘由所述旋转盘(2)引起摆动，并且所述摆动盘(7)相对于所述旋转盘(2)围绕所述旋转盘(2)的轴线可枢转地连接，
-缸体，所述缸体包括至少两个周向分布的压缩室(4)，以及
-至少两个活塞(3)，所述活塞分别在所述缸体的所述压缩室(4)中平移，所述活塞(3)借助连杆(10)由所述摆动盘(7)驱动，
其特征在于，所述旋转盘(2)由所述驱动轴(5)借助指状球接头(8)驱动，所述指状球接头(8)的位置确定所述旋转盘(2)和所述摆动盘(7)相对于所述驱动轴(5)的倾斜度。
2.如权利要求1所述的泵，其特征在于，所述泵包括回复杆(9)，所述回复杆(9)与所述壳体(11)和所述摆动盘(7)以球接头连接。
3.如前述权利要求中任一项所述的泵，其特征在于，所述旋转盘(2)和所述摆动盘(7)相对于所述驱动轴(5)的轴线的倾斜角范围在70°至90°之间。
4.如前述权利要求中任一项所述的泵，其特征在于，所述旋转盘(2)包括所述指状球接头(8)的指状物(12)在其中移动的沟槽(13)，所述沟槽(13)基本上平行于所述驱动轴(5)的轴线。
5.如前述权利要求中任一项所述的泵，其特征在于，所述泵(1)包括用于控制所述旋转盘相对于所述驱动轴(5)的倾斜度的装置。
6.如权利要求5所述的泵，其特征在于，所述控制装置的能量来自所述泵(1)外部的源，特别是借助于受压流体。
7.如权利要求5所述的泵，其特征在于，所述控制装置的能量取自所述驱动轴(5)。
8.如前述权利要求中任一项所述的泵，其特征在于，所述缸体相对于所述壳体(11)固定。
9.一种如前述权利要求中任一项所述的筒式活塞泵(1)在钻井作业中的用途，特别是用于将钻井泥浆注入到井筒中的用途。
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