CN114352241A - 涡轮泵一体式双通道举升泵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种涡轮泵一体式双通道举升泵，包括涡轮泵本体和连接部件；连接部件包括上接头和下接头；涡轮泵本体主要由壳体、分流套、主轴、轴流泵单元、涡轮单元、径向轴承、止推轴承等构成；轴流泵单元由轴流泵转轮和轴流泵导轮组成，涡轮单元由涡轮定子和涡轮转子组成；其中，涡轮定子和轴流泵导轮组合成为一体式涡轮‑轴流泵导流静子；涡轮转子和轴流泵转轮组合成为一体式涡轮‑轴流泵转子；主轴顶部的外侧设置分流套，分流套内侧与主轴外侧形成的空间为过流通道；过流通道与多级的涡轮定子和涡轮转子的流道连通；主轴分流套的外侧与壳体内侧形成的空间为出口流道；导出通道与多级的轴流泵导轮和轴流泵转轮的流道连通。

Description

涡轮泵一体式双通道举升泵

技术领域

本发明属于海洋天然气水合物开采的技术领域，具体涉及一种涡轮泵一体式双通道举升泵。

背景技术

天然气水合物是由天然气和水在低温与高压情况下生成的固态笼型化合物，作为一种高能量密度资源，全球储量丰富，基于我国海洋天然气水合物埋深浅、没有致密盖层，矿藏疏松、胶结程度低、易于碎化的特点，我国科学家提出了固态流化开采法。固态开采方法采用机械破碎的方式，将埋藏于海底的固态天然气水合物层破碎为固态细小颗粒，并与海水掺混在一起，通过流体输送的方式，将水合物固相颗粒与海水的混合浆液从海底储层运送到海面。

现有的固态流化开采方法采用高压海水射流或钻头钻进的方式，对固态天然气水合物层进行破碎，并在井筒中循环钻井液，将水合物固相颗粒从海底带回海面，但由于水合物层极易破碎，破裂压力小，地层极易漏失，打入井底的钻井液大多数漏失而无法返回海面，因此破碎后的天然气水合物混合浆液回收效率低。

现有的固态流化开采方法采用井底举升泵协助循环钻井液的方式进行开采，但现有井底举升泵的轴向尺寸大，径向尺寸小，太长，刚度差，其加工制造难度大，精度低，成本高。此外，井底举升泵的壳体轴向尺寸也大，其内孔加工制造面临超深孔的困难，精度控制难度大。

除此，由于现有的井底举升泵轴向尺寸很大，其整机过于细长，在定向井和水平井中使用时，其过弯能力差，这将及大地限制其在实际工程中的应用。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种涡轮泵一体式双通道举升泵，以解决或改善上述的问题。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种涡轮泵一体式双通道举升泵，其包括涡轮泵本体和用于与涡轮泵本体相连的连接部件；所述连接部件包括与涡轮泵本体一端连接的上接头和与涡轮泵本体另一端连接的下接头；

所述涡轮泵本体主要由壳体、分流套、主轴、轴流泵单元、涡轮单元、径向轴承、止推轴承等构成；；轴流泵单元由轴流泵转轮和轴流泵导轮组成，涡轮单元由涡轮定子和涡轮转子组成；其中，涡轮定子和轴流泵导轮组合成为一体式涡轮-轴流泵导流静子；涡轮转子和轴流泵转轮组合成为一体式涡轮-轴流泵转子。

工作时，动力液进入涡轮的定子，在定子叶栅中被加速导向后，流入涡轮转子，驱动涡轮转子旋转。涡轮转子旋转带动其外圈的轴流泵转轮旋转。轴流泵转轮旋转时，对其流道中的流体做功，并将流体泵送到涡轮-轴流泵导流静子的轴流泵导轮，流体在导轮中降速扩压后并流出。

由于受到井筒径向尺寸的限制，一副轴流泵单元形成的扬程不足以把水深千米下的水合物浆液泵送至海面，因此需要采用多副轴流泵单元串联形成多级轴流泵；同时，一副涡轮单元的输出功率不能驱动多副轴流泵单元，因此需要采用多幅涡轮单元。这样就形成了一体式的多级涡轮多级轴流泵的形式。

主轴顶部的外侧设置分流套，分流套内侧与主轴外侧形成的空间为过流通道，用于高压动力液的导入；过流通道与多级的涡轮定子和涡轮转子的流道连通；主轴分流套的外侧与壳体内侧形成的空间为出口流道，用于天然气水合物混合浆液的导出；导出通道与多级的轴流泵导轮和轴流泵转轮的流道连通。

进一步地，一体式涡轮-轴流泵导流静子的内圈为涡轮定子，其外圈为轴流泵导轮；一体式涡轮-轴流泵转子的内圈为涡轮转子，其外圈为轴流泵转轮。

进一步地，上接头的两端均开设螺纹，其中，上接头的顶端开设外螺纹，上接头的底端开设有内螺纹；上接头顶端的外螺纹为锥螺纹，用以连接上部钻具组合。

进一步地，下接头的两端均开设螺纹，其中，下接头的顶部开设外螺纹，下接头的底端开设外螺纹，且下接头底端的外螺纹为锥螺纹，用以连接上部钻具组合。

进一步地，上接头底端与壳体顶部螺纹连接，下接头顶端与壳体底部螺纹连接。

进一步地，一体式涡轮-轴流泵导流静子和一体式涡轮-轴流泵转子的上下端面上均设置有迷宫密封。

进一步地，还包括设置于主轴上用以承受径向载荷的径向轴承。

进一步地，涡轮固定于涡轮轴上，涡轮轴上设置涡轮轴调节垫和涡轮过流套。

进一步地，还包括设置于主轴上的止推轴承；止推轴承包括涡轮导向套、涡轮PDC轴承动环、涡轮PDC轴承静环和涡轮PDC轴承外壳。

本发明提供的涡轮泵一体式双通道举升泵，具有以下有益效果：

本发明将涡轮单元的转子和轴流泵单元的转轮结合为一个整体，涡轮单元的定子和轴流泵单元的导轮结合为一个整体，并配合双通道的结构实现天然气水合物混合浆液的泵出；相对于传统涡轮泵的单通道结构，本发明实现了涡轮泵一体式的双通道结构，极大的缩短了整个举升泵的长度。

本发明相对传统的举升泵，整机轴向尺寸较小，壳体轴向尺寸也较小，在定向井和水平井中使用时，其过弯能力较强，可应用于更多的实际工程中，且成本低，便于制造，具有较强的实用性。

附图说明

图1为涡轮泵一体式双通道举升泵的结构原理图。

图2为一体式涡轮-轴流泵导流静子的局部剖视图。

图3为一体式涡轮-轴流泵转子的局部剖视图。

图4为迷宫密封放大图。

图5为涡轮泵一体式双通道举升泵的工作原理图。

其中，1、上接头；2、分流套；3、一体式涡轮-轴流泵导流静子；4、一体式涡轮-轴流泵转子；5、主轴；6、壳体；7、止推轴承；8、下接头；9、径向轴承；10、六角螺母；11、涡轮轴调节垫；12、涡轮过流套；13、涡轮轴；14、涡轮导向套；15、涡轮PDC轴承动环；16、涡轮PDC轴承静环；17、涡轮PDC轴承外壳；18、过流流道；19、出口流道；a、涡轮定子；b、轴流泵导轮；c、涡轮转子；d、轴流泵转轮；E、迷宫密封；f、涡轮转子导叶；j、轴流泵转轮导叶；h、涡轮定子导叶；m、轴流泵导轮导叶。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

根据本申请的一个实施例，参考图1和图2，本方案的涡轮泵一体式双通道举升泵，包括涡轮泵本体和用于与涡轮泵本体相连的连接部件，连接部件包括与涡轮泵本体一端连接的上接头1和与涡轮泵本体另一端连接的下接头8。

具体的，上接头1的两端均开设螺纹，其中，上接头1的顶端开设外螺纹，上接头1的底端开设有内螺纹；上接头1顶端的外螺纹为锥螺纹，用以连接上部钻具组合。

下接头8的两端均开设螺纹，其中，下接头8的顶部开设外螺纹，下接头8的底端开设外螺纹，且下接头8底端的外螺纹为锥螺纹，用以连接上部钻具组合。

涡轮泵本体主要由壳体6、分流套2、主轴5、轴流泵单元、涡轮单元、径向轴承、止推轴承等构成。

参考图2，轴流泵单元由轴流泵转轮d和轴流泵导轮b组成，涡轮单元由涡轮定子a和涡轮转子c组成。其中，涡轮定子a和轴流泵导轮b被组合成整体，设计为一体式涡轮-轴流泵导流静子3。一体式涡轮-轴流泵导流静子3的内圈为涡轮定子a，其外圈为轴流泵导轮b；其中，涡轮定子a内均匀间隔的分布有多片涡轮定子导叶h；位于外圈的轴流泵导轮b内均匀间隔的分布有多片轴流泵导轮导叶m，且涡轮定子导叶h与轴流泵导轮导叶m的转向相反。

参考图3，涡轮转子c和轴流泵转轮d被组合成整体，设计为一体式涡轮-轴流泵转子4，一体式涡轮-轴流泵转子4的内圈为涡轮转子c，其外圈为轴流泵转轮d；其中，涡轮转子c内均匀间隔的分布有多片涡轮转子导叶f，位于外圈的轴流泵转轮d内均匀间隔的分布有多片轴流泵转轮导叶j；其中，涡轮转子导叶f与轴流泵转轮导叶j转向相反。

工作时，动力液进入涡轮定子a，在定子叶栅中被加速导向后，流入涡轮转子c，驱动涡轮转子c旋转，涡轮转子c旋转带动其外圈的轴流泵转轮d旋转。轴流泵转轮d旋转时，对其流道中的流体做功，并将流体泵送到一体式涡轮-轴流泵导流静子3的轴流泵导轮b，流体在导轮中降速扩压后并流出。

由于受到井筒径向尺寸的限制，一副轴流泵单元形成的扬程不足以把水深千米下的水合物浆液泵送至海面，因此需要采用多副轴流泵单元串联形成多级轴流泵；同时，一副涡轮单元的输出功率不能驱动多副轴流泵单元，因此需要采用多幅涡轮单元，基于此，本方案形成了一体式的多级涡轮多级轴流泵的形式。

主轴5顶部的外侧设置分流套2，分流套2内侧与主轴5外侧形成的空间为过流通道，用于高压动力液的导入，过流通道与多级的涡轮定子a和涡轮转子c的流道连通。

主轴5分流套2的外侧与壳体6内侧形成的空间为出口流道19，用于天然气水合物混合浆液的泵出；导出通道与多级的轴流泵导轮b和轴流泵转轮d的流道连通。

作为本申请进一步的方案：参考图4，为了防止通过涡轮定子a、涡轮转子c中的动力液大量泄漏到轴流泵单元的轴流泵转轮d和轴流泵导轮b流道内，在一体式涡轮-轴流泵导流静子3及一体式涡轮-轴流泵转子4的上下端面上均设置有迷宫密封E。

作为本申请进一步的方案：还包括设置于主轴5上的径向轴承9，用于承受轴向力。

作为本申请进一步的方案：涡轮固定于涡轮轴13上，涡轮轴13上设置涡轮轴13调节垫11和涡轮过流套12。

作为本申请进一步的方案：还包括设置于主轴5上的止推轴承7；止推轴承7包括涡轮导向套14、涡轮PDC轴承动环15、涡轮PDC轴承静环16和涡轮PDC轴承外壳17。

参考图5，本实施例涡轮泵一体式双通道举升泵的工作原理为：

当开采海底水合物时，高压动力液导入过流流道18，经过主轴5和分流套2内部空间流至多级涡轮所在空间流道，并对多级涡轮进行冲击，动力液进入涡轮定子a，在定子叶栅中被加速导向后，流入涡轮转子c，驱动涡轮转子c旋转，涡轮转子c旋转带动其外圈的轴流泵转轮d旋转，轴流泵转轮d旋转时，对其流道中的流体做功，并将流体泵送到一体式涡轮-轴流泵导流静子3的轴流泵导轮b，流体在导轮中降速扩压后并从出口流道19流出。

本发明将涡轮单元的转子和轴流泵单元的转轮结合为一个整体，涡轮单元的定子和轴流泵单元的导轮结合为一个整体，并配合双通道的结构实现天然气水合物混合浆液的泵出；相对于传统涡轮泵的单通道结构，本发明实现了涡轮泵一体式的双通道结构，极大的缩短了整个举升泵的长度。

本发明相对传统的举升泵，整机轴向尺寸较小，壳体6轴向尺寸也较小，在定向井和水平井中使用时，其过弯能力较强，可应用于更多的实际工程中，且成本低，便于制造，具有较强的实用性。

虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

Claims (9)

1.一种涡轮泵一体式双通道举升泵，其特征在于：包括涡轮泵本体和用于与涡轮泵本体相连的连接部件；所述连接部件包括与涡轮泵本体一端连接的上接头和与涡轮泵本体另一端连接的下接头；

所述涡轮泵本体主要由壳体、分流套、主轴、轴流泵单元、涡轮单元、径向轴承、止推轴承等构成；所述轴流泵单元由轴流泵转轮和轴流泵导轮组成，所述涡轮单元由涡轮定子和涡轮转子组成；其中，所述涡轮定子和轴流泵导轮组合成为一体式涡轮-轴流泵导流静子；所述涡轮转子和轴流泵转轮组合成为一体式涡轮-轴流泵转子；

所述主轴顶部的外侧设置分流套，分流套内侧与主轴外侧形成的空间为过流通道，用于高压动力液的导入；所述过流通道与多级的涡轮定子和涡轮转子的流道连通；所述主轴分流套的外侧与壳体内侧形成的空间为出口流道，用于天然气水合物混合浆液的导出；所述导出通道与多级的轴流泵导轮和轴流泵转轮的流道连通。

2.根据权利要求1所述的涡轮泵一体式双通道举升泵，其特征在于：所述一体式涡轮-轴流泵导流静子的内圈为涡轮定子，其外圈为轴流泵导轮；所述一体式涡轮-轴流泵转子的内圈为涡轮转子，其外圈为轴流泵转轮。

3.根据权利要求1所述的涡轮泵一体式双通道举升泵，其特征在于：所述上接头的两端均开设螺纹，其中，上接头的顶端开设外螺纹，上接头的底端开设有内螺纹；所述上接头顶端的外螺纹为锥螺纹，用以连接上部钻具组合。

4.根据权利要求3所述的涡轮泵一体式双通道举升泵，其特征在于：所述下接头的两端均开设螺纹，其中，下接头的顶部开设外螺纹，下接头的底端开设外螺纹，且下接头底端的外螺纹为锥螺纹，用以连接上部钻具组合。

5.根据权利要求4所述的涡轮泵一体式双通道举升泵，其特征在于：所述上接头底端与壳体顶部螺纹连接，所述下接头顶端与壳体底部螺纹连接。

6.根据权利要求1所述的涡轮泵一体式双通道举升泵，其特征在于：位于所述一体式涡轮-轴流泵导流静子和一体式涡轮-轴流泵转子的上下端面上均设置有迷宫密封。

7.根据权利要求1所述的涡轮泵一体式双通道举升泵，其特征在于：还包括设置于主轴上用以承受径向载荷的径向轴承。

8.根据权利要求1所述的涡轮泵一体式双通道举升泵，其特征在于：所述涡轮固定于涡轮轴上，涡轮轴上设置涡轮轴调节垫和涡轮过流套。

9.根据权利要求1所述的涡轮泵一体式双通道举升泵，其特征在于：还包括设置于主轴上的止推轴承；所述止推轴承包括涡轮导向套、涡轮PDC轴承动环、涡轮PDC轴承静环和涡轮PDC轴承外壳。

Images