CN113286947B - 具有轴承润滑系统的泵 - Google Patents

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Abstract

泵(1)包括：壳体(3)；固定地容纳在壳体(3)中的定子部件(11)；至少一个叶轮(9)，该至少一个叶轮被布置用于在壳体(3)中旋转；工艺流体路径(15)，该工艺流体路径延伸穿过定子部件(11)和叶轮(9)；轴承(31)，该轴承旋转地支撑壳体(3)中的叶轮(9)，并且提供轴承润滑路径(33)，以使流体流循环通过轴承(31)；旋转螺杆(43A；43B；43C)，该旋转螺杆与叶轮(9)成一整体并在泵运行时随其旋转，该旋转螺杆提供对工艺流体的泵送作用，使得叶轮(9)的旋转借助于穿过轴承润滑路径(33)的所述旋转螺杆来促进工艺流体循环。

Description

具有轴承润滑系统的泵
技术领域
本公开涉及对泵的改进。更具体地，本公开涉及旋转动力泵，该旋转动力泵包括布置在壳体中的一个或多个叶轮，并且包含将叶轮旋转地支撑在壳体中的轴承。
背景技术
旋转动力泵用于多种应用中，以用于通过一个或多个旋转叶轮将能量传递至工艺流体。
如本领域的技术人员已知的，动态泵或旋转动力泵是其中通过通常从旋转元件诸如叶轮向通过泵处理的流体传递动能来对流体加压的机器。
一些泵被设计用于处理含有液相和气相的多相流体。一些泵包含嵌入式电动马达，该电动马达使每个叶轮旋转并且可适于独立于泵的其他叶轮来控制每个叶轮的旋转速度，例如以便使旋转速度适应每个泵级中的实际气/液比。具有嵌入式电动马达的多相泵的实施方案公开于例如US2017/0159665中。
泵叶轮借助于轴承(例如多晶金刚石(PCD)轴承)支撑在固定轴上，该轴承设置有由合成金刚石制成或包含合成金刚石的轴承垫。轴承需要连续润滑以减少摩擦并从其移除热量。提供了复杂的轴承润滑回路，以用于使润滑剂循环通过泵叶轮的轴承。需要外部润滑泵来使润滑回路中的润滑流体循环并通过轴承。润滑回路增加了旋转动力泵的复杂性，增加了泵的成本和尺寸并且可能减少泵的可用性，因为润滑回路和相关的润滑泵可能易于发生故障。
因此，需要提供更简单且更便宜的系统来润滑泵中的轴承，特别是具有用于旋转叶轮的嵌入式电动马达的旋转动力泵。
发明内容
根据本公开的一个方面，提供了一种具有壳体的旋转动力泵，其中容纳有定子部件和至少一个叶轮。叶轮支撑在用于在壳体中旋转的至少一个轴承上。工艺流体路径延伸穿过泵的定子部件和叶轮。还提供了轴承润滑路径，用于使流体流循环通过轴承。主要工艺流体流的一小部分从工艺流体路径朝向轴承转移，以用于轴承润滑和/或致冷目的。
提供螺杆泵用于使流体循环通过轴承。螺杆泵由与旋转动力泵的定子部件成一整体的固定表面以及与旋转动力泵的叶轮成一整体并随其旋转的旋转螺杆形成。固定表面和旋转螺杆被布置成彼此同轴并且彼此面对以形成螺杆泵。
螺杆泵流体耦接到工艺流体路径和轴承润滑路径，使得叶轮的旋转导致小流量的工艺流体从主工艺流体路径转移到轴承润滑路径中，通过轴承，并且返回到主工艺流体路径中。
在本文所公开的实施方案中，螺杆泵可包含两个或更多个螺杆泵区段，每个螺杆泵区段包含与泵的定子部件成一整体的固定表面的一部分，以及与叶轮成一整体并随其旋转的旋转螺杆的一部分。例如，螺杆泵区段可布置在轴承润滑路径的入口处，并且另一个螺杆泵区段可布置在轴承润滑路径的出口处。轴承润滑路径的入口和出口可由叶轮和泵的定子部件之间的环形间隙限定。入口间隙可布置在叶轮的下游，并且出口间隙可布置在叶轮的上游。如本文所用，术语“上游”和“下游”是指工艺流体的流动方向。
螺杆泵区段替换了沿着旋转叶轮和泵的定子部件之间的间隙的常见密封布置。螺杆泵因此提供从入口间隙通过轴承润滑路径，并且通过出口间隙回到主要工艺流体路径的受控流体流。
在一些实施方案中，固定表面可为平滑的，例如可包含平滑的圆柱形表面。在其他实施方案中，固定表面可形成为固定螺杆，即可具有螺杆轮廓。在同一泵中，固定式平滑圆柱形表面和固定式螺杆形表面的组合可在同一螺杆泵的不同区段中组合。
附图说明
当结合附图考虑时，通过参考以下具体实施方式，将容易地获得对本发明所公开的实施方案及其许多伴随的优点的更全面的理解，这同样变得更好理解，其中：
图1示出了多级旋转动力泵的剖视图，该多级旋转动力泵包含嵌入式电动马达以驱动泵叶轮；
图2示出了图1的泵的一个叶轮和相关轴承润滑回路的放大图；并且
图3示出了在第二实施方案中类似于图2的放大图。
具体实施方式
已经开发出新型且有用的润滑系统，以改善旋转动力泵中轴承的润滑和冷却。轴承润滑系统使用由旋转动力泵处理的相同流体来润滑和冷却叶轮轴承。这在油气工业的泵的情况下可为尤其有益的，其中工艺流体包括烃的混合物，并且其可包括烃的多相(液态/气态)混合物。润滑系统可包括用于每个轴承的轴承润滑路径。由叶轮泵送的一小部分工艺流体从工艺流体流转移并用于润滑和使轴承致冷。转移的流体沿着润滑路径被引导并流过轴承，特别是在轴承的旋转构件和固定构件之间，从而减小固定组件和旋转组件之间的摩擦并使轴承致冷。
通过由叶轮和与叶轮共同作用的定子部件形成的正位移泵，将用于润滑轴承的工艺流体的侧流泵送通过轴承润滑路径。具体地讲，在本文所公开的实施方案中，正位移泵是由布置在叶轮和泵的定子部件之间的间隙中的一个或多个螺杆形成的螺杆泵。
螺杆泵促进用于冷却和润滑目的的工艺流体流过一个或多个轴承，并且还可促进从容纳一个或多个轴承的腔移除固体污染物。
现在参见图1，旋转动力泵1包括壳体3和布置在其中的固定轴5。泵可包括多个级7。每个泵级7包括相应的叶轮9，该叶轮被支撑用于在轴5上旋转并且与定子部件11(即，与泵的非旋转固定组件)协作。
现在参见图2，并继续参见图1，每个叶轮9包括盘形主体12和围绕旋转轴线A-A环形分布的多个叶片13。工艺流体路径15延伸跨过每个叶轮9的叶片部分。由待描述的嵌入式电动马达产生的机械动力使叶轮9旋转，该叶轮沿工艺流体路径15将动力传送至工艺流体以提高流体的压力。
在图1和图2的示例性实施方案中，每个叶轮9包括护罩17。每个叶轮9由容纳在壳体3中的相应电动马达18驱动旋转。每个电动马达18包含围绕护罩17布置并与叶轮9一起旋转的转子19，以及围绕转子19发展并固定地容纳在壳体3中的定子21。
每个叶轮9借助于相应的轴承31(例如PCD(多晶金刚石)轴承)支撑在固定轴5上。每个轴承31沿着在定子部件11和叶轮9之间形成的轴承润滑路径33布置。更确切地说，每个轴承润滑路径33从入口33A延伸到出口33B。入口33A和出口33B均由围绕叶轮9的旋转轴线A-A延伸的相应环形间隙形成。每个环形间隙形成在相应的叶轮9和定子部件11之间。
在轴承润滑路径33的入口间隙33A和出口间隙33B处提供螺杆泵，该螺杆泵使工艺流体的一部分循环，从叶轮9下游的工艺流体路径15转移，通过轴承润滑路径33，通过轴承31并返回到叶轮9上游的工艺流体路径中。
更具体地讲，在图1和图2的实施方案中，螺杆泵包括在轴承润滑路径33的入口间隙33A处的第一螺杆泵区段41A，以及在轴承润滑路径33的出口间隙33B处的第二螺杆泵区段41B。两个螺杆泵区段41A、41B替换通常用于将叶轮9的轴承31与工艺流体路径密封的密封布置。更详细地，在图1和图2的实施方案中，第一螺杆泵区段41A包括形成于叶轮9的基本上圆柱形表面上的旋转螺杆43A。旋转螺杆43A面向形成在定子部件11的基本上圆柱形表面上的固定螺杆45A。类似地，第二螺杆泵区段41B包括形成在叶轮9的基本上圆柱形表面上的旋转螺杆43B。旋转螺杆43B面向形成在定子部件11的基本上圆柱形表面上的固定螺杆45B。
因此，每个螺杆泵区段由两个面向螺杆(固定螺杆和旋转螺杆)构成。在其他目前次优选且效率较低的实施方案中，每个螺杆泵区段可包括与平滑的圆柱形表面协作的单个螺杆，如稍后将更详细地描述。
当叶轮9旋转时，面向螺杆43A、45A和43B、45B从轴承润滑路径33中的工艺流体路径15正向置换一部分工艺流体。较小受控流量的工艺流体因此从主工艺流体路径转移并用于润滑沿轴承润滑路径布置的轴承31。除了润滑效应之外，转移的工艺流体流也可从轴承31移除摩擦产生的热量，因此使轴承31致冷并防止其过热。面向螺杆43A、45A和43B、45B的形状使得只有少量受控量的工艺流体从主路径转移并使其流过相应的轴承31。
由于轴承润滑路径33的环形入口间隙33A布置在叶轮9的下游，并且所述路径33的环形出口间隙33B布置在叶轮9的上游，叶轮9的下游侧和上游侧之间的压力差与螺杆泵的泵送效应结合使用，以促进流体流通过轴承润滑路径33并通过轴承31。叶轮9的下游侧和上游侧之间的组合压降以及螺杆泵的加压作用克服了流动通过轴承润滑路径33并且通过轴承31的旋转部件31A和固定部件31B之间的管道的润滑流体的压力损失。
通过在轴承润滑路径33的入口间隙33A和出口间隙33B处提供两个螺杆泵区段41A、41B，获得高效且平衡的流体流。在其它目前次优选的实施方案中，螺杆泵可包含单个泵区段，例如仅入口螺杆泵区段41A或出口螺杆泵区段41B。在轴承润滑路径33的两个端部处使用两个螺杆泵区段，结合对通过入口间隙33A和出口间隙33B的实际流量的更好控制，获得更平衡的润滑流。
在一些实施方案中，附加螺杆泵区段41C可设置在轴承31中。更具体地讲，旋转螺杆43C可设置在轴承31的旋转构件31A的内圆柱形表面上，并且固定螺杆45C可设置在轴承31的固定构件31B的外圆柱形表面上。面向螺杆43C、45C形成螺杆泵的第三区段并有利于流过轴承31的润滑工艺流体的循环。在其他目前不太有利的实施方案中，可省去轴承的旋转构件31A的内圆柱形表面和固定轴承构件31B的外圆柱形表面中的一者或另一者。如图1和图2中所公开的双面向螺杆布置通过轴承润滑路径33提供对工艺流体的更有效泵送。
在图1和图2的实施方案中，每个轴承31是由旋转构件31A上的径向轴承垫51A和固定构件31B上的径向轴承垫51B构成的PCD轴承。螺杆43C、45C可布置在轴承垫51A、51B之间。每个轴承31还可包含泵1的旋转轴承构件31A上的轴向轴承垫53A和固定轴承构件上或定子部件11上的轴向轴承垫53B。
在操作期间，叶轮9由相应的电动马达18驱动旋转。叶轮9以从最上游至最下游的叶轮递增的压力沿工艺流体路径15泵送工艺流体。在每个叶轮9下游的间隙33A中，小工艺流体流量通过螺杆泵区段41A从主流转移并通过轴承31泵送到轴承润滑路径33中，并且最终通过螺杆泵区段41B从轴承润滑路径33移除并通过出口间隙33B返回到主工艺流体路径15中。如果存在的话，螺杆泵区段41C促进润滑工艺流体在轴承31上的移位。
因此，通过用螺杆泵区段41A、41B替换叶轮9与泵的定子部件11之间的常见密封件来获得新型轴承润滑系统。邻近间隙33A、33B布置的螺杆泵(其将轴承润滑路径33置于与主工艺流体路径15流体连通)产生通过轴承31的受控工艺流体流量以用于润滑和致冷目的。因此实现了轴承31的有效润滑和致冷，而不需要特殊的润滑管道和外部润滑泵。借助于由螺杆泵区段在每个间隙33A、33B处形成的正位移泵，润滑剂由旋转动力泵的叶轮9泵送通过轴承。
图3示出了根据本公开的泵的另一个实施方案的类似于图2的放大图。已经在图1和图2中示出并且如上所述的相同元件、部件或组件用相同的参考标号标记，并且不再描述。图3的实施方案相对于图2的实施方案的主要区别在于设置在旋转叶轮9上的每个螺杆轮廓43A、43B和43C面向平滑的相对圆柱形表面，而不是相对的螺杆轮廓。因此，在该实施方案中，每个螺杆泵区段为单螺杆泵区段。
在另外的实施方案(未示出)中，可以提供图2和图3的实施方案的组合。
虽然已经依据各种特定实施方案描述了本发明，但本领域技术人员将明白，在不脱离权利要求的精神和范围的情况下，许多修改、变化和省略是可能的。此外，除非本文另外指明，否则任何过程或方法步骤的顺序或序列可根据另选的实施方案改变或重新排序。

Claims (8)

1.一种泵(1)，所述泵包括：
-壳体(3)；
-定子部件(11)，所述定子部件固定地容纳在所述壳体(3)中；
-至少一个叶轮(9)，所述至少一个叶轮被布置用于在所述壳体(3)中旋转；
-工艺流体路径(15)，所述工艺流体路径延伸穿过所述定子部件(11)和所述叶轮(9)；
-至少一个轴承(31)，所述至少一个轴承适于将所述叶轮(9)旋转地支撑在所述壳体(3)中；
-轴承润滑路径(33)，所述轴承润滑路径适于使流体流循环通过所述轴承(31)；
-旋转螺杆(43A；43B；43C)，所述旋转螺杆与所述叶轮(9)成一整体并且在所述泵运行时随其旋转；
其中所述旋转螺杆(43A；43B；43C)被布置成与所述定子部件(11)的固定表面同轴并形成螺杆泵(41A；41B；41C)，所述螺杆泵流体耦接到所述工艺流体路径(15)和所述轴承润滑路径(33)，使得所述叶轮(9)的旋转借助于所述螺杆泵来促进穿过所述轴承润滑路径(33)的工艺流体循环，
其中所述轴承润滑路径(33)从流体耦接到所述叶轮(9)下游的所述工艺流体路径(15)的入口(33A)延伸到流体耦接到所述叶轮(9)上游的所述工艺流体路径(15)的出口(33B)，
其中所述旋转螺杆(43A；43B；43C)具有在所述轴承润滑路径(33)的所述入口(33A)处的第一旋转螺杆部分(43A)和在所述轴承润滑路径(33)的所述出口(33B)处的第二旋转螺杆部分(43B)；并且其中所述第一旋转螺杆部分(43A)形成第一螺杆泵区段(41A)，并且所述第二旋转螺杆部分(43B)形成第二螺杆泵区段(41B)。
2.根据权利要求1所述的泵(1)，其中所述定子部件(11)的所述固定表面是平滑的圆柱形表面。
3.根据权利要求1所述的泵(1)，其中所述定子部件(11)的所述固定表面形成固定螺杆(45A；45B；45C)，所述固定螺杆与所述旋转螺杆(43A；43B；43C)同轴。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的泵(1)，其中所述轴承润滑路径(33)的所述入口(33A)包含围绕所述叶轮(9)的旋转轴线(A-A)延伸的环形间隙。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的泵(1)，其中所述轴承润滑路径(33)的所述出口(33B)包含围绕所述叶轮(9)的旋转轴线(A-A)延伸的环形间隙。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的泵(1)，其中所述旋转螺杆(43A、43B、43C)具有在所述轴承润滑路径(33)的所述入口(33A)和所述出口(33B)中间的第三旋转螺杆部分(43C)；并且其中所述第三旋转螺杆部分(43C)形成第三螺杆泵区段(41C)。
7.根据权利要求6所述的泵(1)，其中所述第三旋转螺杆部分(43C)形成在所述轴承(31)上。
8.根据前述权利要求1至3中任一项所述的泵(1)，其中所述轴承(31)包括多晶金刚石轴承垫(51A；51B；53A、53B)。
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