CN1954151A - 高性能导流轮 - Google Patents

Abstract

一种用于泵组件的改进的高性能导流轮，包括一套主叶片和分流叶片，以获得高达1∶1的蒸汽对液体比。在前缘处设置最小背压，有助于流体进入叶片，在该叶片处泵送流体的蒸汽组分被除去。轮毂直径沿螺旋型叶片轴向增大，因此导致在导流轮的入口和出口之间的叶片深度减小。获得了在从存储储液器中除去流体方面的显著改进，结果是，显著节省了运输费用。

Description

高性能导流轮

相关申请

本申请要求于2003年12月5日提交的美国临时申请第60/527,334号的优先权，并且结合于此作为参考。

技术领域

本发明涉及泵机组，并且发现了在泵送低温材料过程中的特殊应用，例如，泵机组浸入储存于储液器或容器，例如运输船，中的流体中，且需要泵送来自储液器底部的流体。

背景技术

包括用于液化天然气(LNG)场合的导流轮的泵，诸如LNG运输装载泵以及主发送泵，经常需要操作在净压头(NPSHR)很低的条件下，促进储油罐的完全提馏(stripping)，该储油罐保持完全流通甚至是以完全气蚀模式操作的。此外，当以低罐级操作时，泵能够吸入由不良抽吸条件和旋涡造成的蒸汽。这导致两相流态。

在这种情况下，LNG泵中的导流轮需要能够产生足以压缩这些蒸汽的足够大的压头(压力)，用于以液力稳定的方式再吸收液体。否则，众所周知的事实是，当一柱蒸汽进入非完全再吸收的泵入口时，泵排出压力波动。这种波动的存在会导致振动，而振动将缩短泵寿命。

U.S.Re.31,445，其内容结合与此作为参考，针对此类的潜水泵机组，其中开发了改进的导流轮或高性能导流轮。专利‘445公布了低温存储系统，其中储液器、储油罐、油罐车、油槽船，等等均包括从上闭合件或顶盖悬吊下来的外壳。管道从顶盖延伸并容纳位于储液器或储存容器地面上的泵和电动机装置。通过电缆提供能量，而且整个泵和电动机组件通过缆线或刚性管或管道悬挂。

踏板设置在泵和电动机组件的最低端。从底端向内设置的是带叶片的导流叶轮(a flow inducer vaned impeller)。如专利‘445中所述，典型的导流轮叶轮(inducer impeller)包括多个周向间隔设置的叶片，从中心轮毂径向向外延伸。这种结构通常被称为风扇型导流轮。还有其他的制造商采用不同的叶轮或导流轮构造，例如混流导流轮，来替代专利‘445中所示的四片风扇型导流轮。

尽管已知的风扇型导流轮和混流导流轮泵在一定程度上已经成功用于这类泵组件中，但是当用于泵送两相介质或流体(即，液体和蒸汽)时，它们遇到了上述的问题。由于设计的原因，导致比液体多的空气被吸入泵组件中，大量的液体残留在储液器中。如果在运输船中运输LNG，例如LNG在岸上被卸下或泵送到存储储液器。当进口压力很低时，导流轮是操作所需的重要元件。在LNG装载和主发送泵中，当存储油罐中的液面几乎不浸没时，因为油罐中的液体处于或接近饱和压力(也指真实蒸汽压)，所以存在这些条件。在LNG次发送泵中，当来自汽化气再冷凝器的管道损失和泵吸接近再冷凝器中的自由液面与泵入口(导流轮入口inducer eye)之间的高度差时，因为再冷凝器处于真实蒸汽压下，所以可以存在这些条件。

当发生这些情况时，导流轮入口中的压力变得与真实蒸汽压相等，而且任何进一步的减压将导致气蚀，在流体中产生气泡或气泡云。当相对于叶片的流体的相对速度具有非零的入射角时，在导流轮叶片的前缘发生这种情况。在其它情况下，当吸入旋涡通道在泵吸和流体自由表面之间开口以允许蒸汽流流入泵吸时，可以由泵吸入蒸汽云。蒸汽对液体的体积比称为V/L或空隙组分。液体/蒸汽混和物是两相流。极端情况下，气泡云或空隙率将阻止流动并降低泵输出及效率。

已知的导流轮设计在运输船的储液器的底部残留大约4英尺的LNG。换句话说，船的储液器无法充分地腾空，运输船被迫将剩余的LNG从泵站运送到远端，在远端运输船被再次装满。据估计，与没有从站台容器中泵出的残余LNG的这种不希望的保留和不必要的运输有关的费用，每年每英尺残余LNG可以耗费大约十万美元($100,000)。

考虑到上述问题，很显然对于改进的高性能导流轮组件的需求是存在的，它可以对于现有技术的一个或多个不足提供解决方案。更显而易见的是，针对现有技术没有充分解决的每一个需求而提供解决方案的改进的高性能导流轮组件，在提供迄今为止没有被认识到的优点的同时，在现有技术中可能代表一种显著进步。因此，确实需要一种改进的高性能导流轮组件，特别是在用泵抽出之后可以显著减少残留在船储液器中的残余LNG量的改进的高性能导流轮。类似地，确实需要更有效地处理或泵送两相流体。

发明内容

提供一种用于泵送来自储液器的低温两相流体的新型改进的高性能导流轮。

更具体地，用于泵送来自储液器的低温两相流体的导流轮叶轮包括具有第一部和第二部的轮毂，其中该第一部具有第一直径，该第二部具有大于第一直径的第二直径。多个主和次叶片周向地设置在轮毂的周围。每个次叶片插入两个主叶片之间。

钻孔泵组件的导流轮叶轮包括多个从轮毂延伸的主叶片，该导流轮叶轮用于泵送储存在包括两相流组分的储液器中的液化气。主叶片具有大致为螺旋型的构造，并且周向地间隔布置或设置在轮毂周围。次叶片从轮毂延伸并且插入多个主叶片之间。多个主和次叶片在轮毂的第一部处的深度基本上大于在轮毂的第二部处的深度。

用于泵送来自低温存储系统的两相流体的导流轮叶轮包括从第一部向第二部直径增大的轮毂。多个轴向延伸的主叶片中的每一个具有从轮毂径向和轴向延伸的前缘。轴向延伸的次叶片周向地设置在轮毂周围，从而次叶片之一插入两个相邻的主叶片之间。每个主叶片和每个次叶片的从该主叶片和该次叶片的前缘到后缘的外径通常是固定的。

本发明的主要优点在于能够达到大约1∶1的蒸汽对液体比(V/L)的性能。

本发明的另一个优点在于能够充分减少残留在储液器中的残余燃料的性能。

本发明的再一个优点在于，与用泵抽出大量LNG，即减少储液器中残留LNG的剩余层深度的性能有关的充分的节约。

从对以下优选实施例的详细描述的阅读和理解中，本发明的其它优点和方面将变得显而易见。

附图说明

本发明可以采用某些零件的外观形式和零件设置方法，其优选实施例将在说明书中详细描述并在作为本发明一部分的附图中进行解释。

图1是U.S.Re.31,445中公布的现有泵送系统的纵向横截面视图，其中可以结合图2-4的高性能导流轮。

图2是图示了根据本发明的轮毂和叶片组件的高性能导流轮的透视图。

图3是图2所示的导流轮的正视图。

图4是图2所示的导流轮轮毂和叶片组件的后侧透视图。

具体实施方式

当然应该理解，这里的描述和附图仅作说明之用，在不背离本发明精神的前提下，对所公布的结构可以进行各种替换和修改。在通篇的几个附图中，相同的标号指相同的零件。

参照图1，如U.S.Re.31,445中所公布的，示出了用于泵送系统的泵和电动机单元10的一部分，该泵送系统用于加压的低温气存储储液器，其中本发明的改进导流轮(下面结合图2-4详细描述)可以结合于此进行描述。

如图1所示，并且如U.S.Re.31,445中所述，传统的感应电动机12有竖直的电动机轴14，其上端支承在减摩轴承(未示出)中，该减摩轴承支撑在向上开口轴瓦(未示出)中。典型地，电动机轴14在其底端还支承在减摩轴承18中的向上开口的圆柱壳16中。该轴的第一或底端具有安装其上的高性能导流轮20，并且主和次离心叶片叶轮22和24在导流导流轮20上方以轴向间隔地与轴14键连接，以形成两相泵26的叶轮。第二相叶轮24与轴承18相通，从而泵送的流体可以通过电动机12从上轴承(未示出)流动，以润滑下轴承18，进而通过排出口28排出，用于再引回到被叶轮24泵送的流体中。

高性能导流轮20具有多个周向间隔设置的作为中心轮毂30的径向延伸的叶片29，该中心轮毂30借助于键(未示出)连接至隔板32下方的电动机轴14的下端。因此，高性能导流轮20跨过泵的入口，并且与入口装置34共同合作，该入口装置开口朝向底阀(未示出)踏板36的外缘。踏板36具有间隔设置的直立肋条(未示出)，在其附近承载邻接轮缘38的闭合装置34，从而在导流轮叶片29的作用下，流体流过板36，流向主和次叶轮22和24。

主叶轮22是双闭合式类型，包括邻接隔板32顶部的中心轮毂40，并且为了进行同时旋转而键连接至轴14。叶轮具有第一或顶盖42，将轮毂40径向延伸至泵外壳46内部的处于叶轮周围的环形通道的入口端。第二盖或底盖48与盖42以及周向间隔设置的直立叶轮叶片50共同合作，以提供泵送通路，该通路轴向向上开口并进而径向向外进入环形通道44。

叶片52以周向设置的间隔径向延伸跨过环形通道44，并且有效地将来自叶轮叶片50的速位差转化成压位差。环形通道44将越过叶片52的流体排放进汇聚于次叶轮24入口端的流路54中。次叶轮以与主叶轮22相同的方式被构造和操作，且以同样的方式通过轴14被驱动。次叶轮24通过环形通路56向上排放流体，该环形通路56包括类似于叶片52的平衡叶片58。流体从通路56的环形敞口顶排出进入外壳58内，以向上穿过外壳流向出口装置(未示出)。

现在参照图2-4，其中，图形仅用于解释本发明的优选实施例，并不是用来限制本发明，图2示出了导流轮100，如上所述，可以并入用于存储加压低温气储液器的泵送系统的泵和电动机单元10中。本发明的导流轮克服了与空气有关的问题，从而一旦泵送的两相介质经过穿过导流轮的部分路段，则介质成为单相液体。这通过图2-4所示的导流轮设计实现，并在此进行描述。

更具体地，导流轮的中心轮毂110包括开口112，通过此开口将导流轮固定到从电动机12处而延伸的传动轴14上。轮毂的第一端具有圆形端(即，不是尖锐的边缘或轮廓)以及出自端部的曲线构造，如图2和图3最佳所示。该第一端同时从轴处大体径向向外延仲及沿其轴向延仲。轮毂从在端部形成的凹部114延伸，并向外弯曲成大致固定直径的第一轮毂部116。第一、第二和第三螺旋型叶片120a-120c的前缘从轮毂处径向且轴向地向外延伸，特别是从其固定直径部延伸。可以知道，对应于每个叶片的前缘122a-122c与下一个相邻叶片的前缘周向间隔大约120°。叶片的厚度从前缘122a-122c增加或逐渐变细，超过以标号124a-124c标记的叶片其余部分，到达一基本上恒定的厚度，并继续到对应的后缘126a-126c处。也许最佳如图2和图3所示，每个叶片与其它叶片相同，并且从前缘122a-122c向对应的后缘126a-126c周向地延伸大约180°。每个叶片具有螺旋型或螺线形构造，围绕轮毂周向地延伸并且从轮毂的大致固定直径部116向轮毂130的增大直径部轴向地延伸(图3和图4)。可以知道，轮毂的直径在叶片的第一或前缘和其第二或轴向间隔的后缘之间增大。换一种说法，轮毂的轮廓不总是简单地的不变的锥形，有利的方面是，它不会形成超过其长度的任何尖锐边缘。

在三个主叶片120之间插入的是次或分流叶片。分流叶片适于传送更多的流体通过导流轮。因此，在流体已经到达导流轮的后缘时，它在入口端被六个叶片而不是最初的三个叶片泵送。主叶片具有更大的扭曲以助于压缩蒸汽，而且此增大的扭曲在轴向(即平行或沿着旋转轴线)也提供了容纳分流叶片的更大的间距。已知，设置有三个分流叶片150a、150b、150c，每个主叶片之间设置一个。也许如图2和图4最佳所示，分流叶片的前缘152与主叶片的前缘122周向地间隔大约60°。每一个分流叶片还具有逐渐变细的前缘152，其厚度在叶片轮廓剩余周向部分逐渐变为更加恒定。从每一个分流叶片的前缘152向后缘156的周向间隔是大约150°。

也许如图3最佳所示，从叶片的前缘向其后缘前进时，轮毂的直径继续增大。但是，在流体离开每个主叶片和分流叶片的地方，轮毂具有大致恒定的直径，并且其终止于第二端160的地方轮毂具有平滑的圆形轮廓。轮毂的构造在前缘处起到最小背压的作用。这使得流体易于引入导流轮的叶片。叶片的大扭曲角度具有类似压缩器的功能，而压缩蒸汽，从而在介质离开导流轮时，泵送的介质从空气和液体的两相介质转化成单相或液体。因此，叶片以及轮毂的增大直径提供了压缩作用。

风扇型导流轮可以达到0.2至0.3的蒸汽对液体比(V/L)，而混流导流轮具有0.4至大约0.45的比例，而本发明的导流轮具有大约1∶1的蒸汽对液体比(V/L)。

根据本发明，叶片的深度，即，沿大致径向从轮毂向外到叶片的外直径边缘而测量的叶片的尺寸，也相当地不一致。尽管混流泵在出口处通常具有比前缘深度增大的叶片深度，但本发明不是这种情况。这里，在入口处测量的从轮毂到尖端的叶片深度基本上大于在出口处测量的深度(见图3)。叶片的外直径从前缘到后缘基本上无变化，但由于轮毂直径从前缘或入口端到后缘或出口端增大，则叶片的深度沿轴向减小。如上所述，这种构造也有助于提高导流轮组件的蒸汽对液体的泵送比。

将这种导流轮设计加入泵组件，使得留在储液器中的残余或剩余燃料显著减少。尽管现有设置使得留在储液器中的残余LNG大约4英尺(1.22米)，本发明将残余深度显著减少至大约8英寸或0.66英尺(0.2米)。据评估，运输未能从船只储液器泵出来的LNG的费用是，每年每英尺十万美元($100,000)，那么可以泵送出更多LNG的能力，即降低储液器中剩余LNG的残余深度的能力，就可以大大节约这些费用。

这种大蒸汽处理高性能导流轮可以用于在多相高压泵中处理汽化气的问题中。其优异的流线型/水力叶片设计使得它不易气蚀。不管是通过夹带或是通过气蚀以再吸收进入液相，其高泵头性能可以压缩任何出现的气体。由于在导流轮内部控制再循环的设计特征，高性能导流轮将以等于甚至低于额定流量10％的低流速稳定操作。这些性能使得高性能导流轮能够避免，对于具有该功能导流轮的再冷凝器的需求。潜在费用节约非常大。

参照优选实施例，已经描述了典型实施例。很明显，在阅读并理解前面详细描述的基础上，可以对其它实施例进行修改和替换。其意义是可以将典型实施例理解为，附加权利要求或其等同物的范围包含各种这样的修改和替换。

Claims (19)

1.一种高性能导流轮，用于从储液器中泵送低温两相流体，包括：

轮毂，包括具有第一直径的第一部和具有大于所述第一直径的第二直径的第二部；

多个主叶片，周向设置在所述轮毂的周围；以及

多个次叶片，周向设置在所述轮毂的周围，每个次叶片插入两个主叶片之间。

2.根据权利要求1所述的导流轮，其中，所述轮毂的直径从所述第一部向所述第二部增大。

3.根据权利要求2所述的导流轮，其中，多个所述主和次叶片的在所述轮毂的所述第一部处的径向深度基本上大于在所述轮毂的所述第二部处的径向深度。

4.根据权利要求2所述的导流轮，其中，每个主叶片和每个次叶片的外直径从所述主和次叶片的前缘到后缘通常是恒定的。

5.根据权利要求1所述的导流轮，其中，所述第一部包括大致圆形端和从所述圆形端径向向外和轴向延伸的侧壁。

6.根据权利要求5所述的导流轮，其中，所述侧壁具有大致曲线形的构造。

7.根据权利要求1所述的导流轮，其中，所述主叶片具有大致螺旋型的构造。

9.根据权利要求7所述的导流轮，其中，所述主叶片在所述轮毂的周围从前缘到其后缘周向延伸大约180度。

10.根据权利要求7所述的导流轮，其中，所述每个主叶片的前缘从相邻主叶片的前缘周向间隔大约120度。

11.根据权利要求7所述的导流轮，其中，所述每个次叶片的前缘从相邻主叶片的前缘周向间隔大约60度。

12.根据权利要求11所述的导流轮，其中，从所述每个次叶片的前缘到其后缘的周向范围大约是150度。

13.根据权利要求1所述的导流轮，其中，所述主叶片和所述次叶片具有从所述主和所述次叶片的前缘向所述主和所述次叶片的其余周向部分逐渐变细的厚度，所述其余周向部分上的厚度大致恒定。

14.钻孔泵组件的高性能导流轮，用于泵送储存于储液器中的包括两相流体组分的液化气，所述高性能导流轮包括：

轮毂，包括具有第一直径的第一部和具有大于所述第一直径的第二直径的第二部；

多个主叶片，从周向设置在所述轮毂周围的具有螺旋型构造的所述轮毂处延伸；

多个次叶片，从所述轮毂延伸，插入所述多个主叶片之间；以及

其中所述多个主和次叶片的在所述轮毂的所述第一部处的深度远远大于在所述轮毂的所述第二部处的深度。

15.根据权利要求14所述的高性能导流轮，其中，所述轮毂的直径从所述第一部向所述第二部增大。

16.根据权利要求14所述的高性能导流轮，其中，每个主叶片和每个次叶片的外直径从所述主和次叶片的前缘到后缘是大致恒定的。

17.根据权利要求14所述的高性能导流轮，其中，所述主叶片和所述次叶片具有从所述主和所述次叶片的前缘向所述主和所述次叶片的逐渐变细的厚度，所述其余周向部分上的厚度大致恒定。

18.在用于从低温储存系统泵送两相液体的此类潜水泵中，用于泵送两相流体的导流轮叶轮包括：

轮毂，包括具有第一直径的第一部和具有第二直径的第二部，其中所述轮毂的直径从所述第一部向所述第二部增大；

多个轴向延伸的主叶片，具有周向设置在所述轮毂周围的大致螺旋型构造，和从所述轮毂径向和轴向延伸的前缘；

多个轴向延伸的次叶片，周向设置在所述轮毂的周围，从而所述次叶片之一插入两个相邻的主叶片之间；以及

其中每个主叶片和每个次叶片的外直径从所述主和所述次叶片的前缘到后缘通常是恒定的。

19.根据权利要求18所述的导流轮叶轮，其中，所述多个主和次叶片的在所述轮毂的所述第一部处的深度远远大于在所述轮毂的所述第二部处的深度。

20.根据权利要求18所述的导流轮叶轮，其中，所述泵送流体的蒸汽对液体的比例(V/L)达到大约1∶1的比例。

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