CN101603530B - 涡旋式气液多相混输泵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种涡旋式气液多相混输泵，由动涡旋盘、静涡旋盘、支架体、曲拐轴和小曲拐防自转机构组成；型线相同的两动静两涡旋盘相对旋转90°并偏置一定距离后对插在一起，形成多个工作腔，动涡旋盘在曲拐轴的带动下，在小曲拐防自转机构的约束下与静涡旋盘之间实现公转平动，形成周期性变化的工作腔容积，实现气液介质的吸入、压缩和排出。动静涡旋盘上均有一段由变径基圆渐开线所构成的变啮合间隙涡旋齿，在工作中存在啮合间隙，使得从压缩腔向排出口方向存在一条卸压通道，在增压过程中少量气液介质通过该通道从压缩腔向排出口发生内泄漏，实现液相压缩的随机卸荷，以解决当含液率较高时，增压混输气液介质时易出现的压力骤增和液击问题。

Description

涡旋式气液多相混输泵

技术领域

本发明属于机械工程技术领域，特别涉及涡旋式气液多相混输泵。

背景技术

随着石油、天然气生产逐步由陆地向沙漠及海洋扩展，油井中采出的原油、气体和水的多相混合物的长距离可靠输送问题逐渐成为研究热点，以多相泵为核心的油气多相混输是当今油气输送技术的发展趋势，具有简化流程、节省费用和提高油井采收率等优点，因此对新型气液多相混输泵的研究具有重要的意义。

现有的气液多相混输泵的种类较多，在油气集输***中应用最为广泛的是螺旋轴流式多相泵和双螺杆式多相泵。螺旋轴流式多相泵利用多相流体在高速旋转的叶轮中获得动能，再通过导叶的扩压作用将动能转换为压力能；该泵主要由吸入单元、压缩单元、压出单元及泵体等组成，具有结构简单、操作方便等优点；但当含气率较大时，其工作性能所受影响较大，泵送扬程较小，因而螺旋轴流式多相混输泵难以适应于含气率较大时的混合增压输送。双螺杆多相泵是依靠两螺杆间的相互啮合，形成周期性变化的工作腔容积，进而实现对气液多相流体的增压混输，具有结构紧凑和效率高等优点，对气液比变化较大的多相流体、高凝固点及高粘度的混合物都有较好的增压效果，适应于中小流量和高扬程工况；但作为容积式多相泵，由于没有较好地解决液相压缩的随机卸荷，当含液率较高时，运行中易出现工作腔内压力不均衡、个别工作腔内介质压力骤增，甚至产生液击现象，严重影响多相泵的安全可靠运行，因而双螺杆式多相混输泵不适用于含液率较高时的混合增压输送。

涡旋机械至今已有百余年的发展历史，具有效率高、可靠性高和结构简单等显著优点，作为制冷压缩机、空气动力压缩机、增压器和真空泵得到了广泛的应用，然而国内外却未见有关涡旋式多相泵的相关报道。

发明内容

本发明的目的是要提供一种涡旋式气液多相混输泵，适用于含液率较高时的气液多相增压输送，采用变径基圆渐开线构建变啮合间隙涡旋齿，使其在工作中形成一条从压缩腔通向排出口方向的内泄漏卸压通道，实现气液多相增压混输过程中的液相压缩随机卸荷，避免增压输送含液率较高的多相介质时，因液相不易压缩而出现的工作腔内介质压力骤增，甚至液击问题，保证多相泵安全可靠的运行。

一种涡旋式气液多相混输泵主要由动涡旋盘、静涡旋盘、支架体、曲拐轴和小曲拐防自转机构等零部件组成，型线相同的两动、静涡旋盘相对旋转一定角度并偏置一定距离后对插在一起，形成两组工作腔容积，动涡旋在曲拐轴的带动下，在小曲拐防自转机构的约束下，与静涡旋实现公转平动，所形成的啮合点沿着涡旋齿齿壁连续向中心移动，所形成的工作腔容积逐渐变小，并向中心移动，形成了周期性变化的工作腔容积，实现气液混合介质的吸入、压缩和排出，完成气液介质的增压混输过程。

动、静涡旋齿均由外圈的基圆渐开线和内圈的变径基圆渐开线组合而成，基圆渐开线部分所构成的涡旋齿实现无间隙啮合，形成吸入腔容积，完成气液介质的吸入过程；变径基圆渐开线部分所构成的涡旋齿参与啮合时，形成压缩腔和排出腔容积，存在啮合间隙，完成气液介质的压缩和排出过程，因而压缩过程存在从压缩腔通向排出口方向的内泄漏通道，气液介质通过该通道内的少量内泄漏实现液相压缩的随机卸荷。虽然压缩过程中存在内泄漏，但不会降低容积效率，因而本发明对于拓宽容积式多相泵的气液比范围及涡旋机械的应用领域具有重要的工程意义。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：采用变径基圆渐开线构具有啮合间隙涡旋齿，使其所形成的压缩腔在工作中形成一条从压缩腔通向排出口方向的内泄漏卸压通道，实现气液介质增压混输过程中的液相压缩随机卸荷，避免增压输送含液率较高的多相介质时，因液相不易压缩而出现压缩腔内介质压力骤增，甚至液击问题，保证多相泵安全可靠的运行。

本发明的有益效果是：①本发明所提出的涡旋式气液多相混输泵具有液相压缩随机卸荷功能，适用于含液率较高时的应用场合，并能够保证其运行安全性；②液相压缩卸荷通道是从压缩腔通向排出口方向，所产生的泄漏是内泄漏，不会减小容积效率；③吸入过程中工作腔没有啮合间隙，吸入过程没有外泄漏；④本发明所提出的涡旋式气液多相混输泵具有效率高、可靠性高和结构简单等显著优点。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是涡旋式气液多相混输泵的结构简图。

图2是动、静涡旋齿啮合过程图。

图3是静涡旋齿型线图。

图4是动涡旋齿型线图。

图中：1-静涡旋盘；2-动涡旋盘；3-排出口；4-吸入口；5-小曲拐防自转机构；6-平衡铁；7-轴承；8-支架体；9-曲拐轴；201-静涡旋齿；202-动涡旋齿；203-排出口；204-压缩腔；205-啮合间隙；301-静涡旋外侧变径基圆渐开线；302-静涡旋内侧变径基圆渐开线；303-静涡旋外侧变径基圆渐开线；304-静涡旋内侧变径基圆渐开线；401-动涡旋外侧变径基圆渐开线；402-动涡旋内侧变径基圆渐开线；403-动涡旋外侧变径基圆渐开线；404-动涡旋内侧变径基圆渐开线。

具体实施方式

如图1所示，涡旋式气液多相混输泵主要由静涡旋盘1、动涡旋盘2、小曲拐防自转机构5、支架体8、曲拐轴9、平衡铁6和轴承7等零部件组成，静涡旋盘1的圆周上设置有吸入口4，静涡旋1的中心处设置有排出口3。工作过程中，型线相同的动、静两涡旋盘相对旋转一定角度并偏置一定距离后对插在一起，形成两组月牙形工作腔容积，在压缩过程中由于所形成的压缩腔是由变啮合间隙型线所构成的，因而所形成的压缩腔在通向排出口方向存在啮合间隙，形成一条从压缩腔通向排出口方向的内泄漏通道，作为液相压缩的卸压通道，动涡旋在曲拐轴的带动下，在小曲拐防自转机构的约束下，与静涡旋实现公转平动，所形成的工作腔容积逐渐减小，进行周期性的变化，实现气液介质的吸入、压缩和排出，完成增压输送过程。带有啮合间隙的工作腔容积的周期性变化过程如图2所示。

如图2所示，(a)图为工作腔处于吸气过程结束时的动、静涡旋齿啮合图，设此时曲轴转角θ＝0°；(b)图为θ＝90°时的动、静涡旋齿啮合图；(c)图为θ＝180°时的动、静涡旋齿啮合图；(d)图为θ＝270°时的动、静涡旋齿啮合图；(d)图为θ＝360°时的动、静涡旋齿啮合图。静涡旋齿201和动涡旋齿202通过啮合形成2组压缩腔204，压缩腔204在通向排出口203方向设计有啮合间隙205，形成一条卸压通道，在气液混合介质在压缩腔204内因容积减小而受到压缩，其压力得到提高，同时有一部分气液混合介质通过啮合间隙205泄漏到排出口203，由此实现液相压缩随机卸荷，避免当含液率较高时，因容积减小和液相不易压缩而发生压缩腔内介质压力骤增，甚至发生液击的事故，保证了多相混输泵的运行安全性。能够形成具有变啮合间隙的动、静涡旋齿型线如图3和图4所示。

如图3所示，静涡旋齿外圈ABC段是由基圆渐开线所构成的，分别为静涡旋外侧基圆渐开线301和静涡旋内侧基圆渐开线302；静涡旋齿内圈CDE段是由变径基圆渐开线所构成的，分别为静涡旋外侧变径基圆渐开线303和静涡旋内侧变径基圆渐开线304。

如图4所示，动涡旋齿外圈ABC段是由基圆渐开线所构成的，分别为动涡旋外侧基圆渐开线401和动涡旋内侧基圆渐开线402；动涡旋齿内圈CDE段是由变径基圆渐开线所构成的，分别为动涡旋外侧变径基圆渐开线403和动涡旋内侧变径基圆渐开线404。

实施时，静涡旋齿201和动涡旋齿202所形成的啮合间隙205的大小，可根据气液介质介质的气液比大小进行确定，使得压缩腔与排出口之间形成一条卸压通道，工作中因容积减小，气液介质介质发生少量间隙内泄漏实现液相压缩随机卸荷，解决了当含液率较高时，因液相不易压缩而出现的液击问题。

实施时，静涡旋齿201和动涡旋齿202在工作啮合时，基圆渐开线涡旋齿ABC段首先进入啮合，在啮合时不存在啮合间隙，此时为吸入过程，当吸气过程结束后，工作腔容积封闭，随后进入压缩过程，随着曲拐轴的转动，啮合点沿着涡旋齿壁向中心处连续移动，压缩腔容积逐渐减小，由变径基圆渐开线型线所构成涡旋齿CDE段处于啮合，此时存在啮合间隙，随着压缩腔容积的进一步减小，啮合间隙逐渐增大。

Claims (4)

1.一种涡旋式气液多相混输泵，主要由动涡旋盘、静涡旋盘、支架体、曲轴、小曲拐防自转机构组成，其特征是：型线相同的两动、静涡旋盘相对旋转一定角度并偏置一定距离后对插在一起，形成多个月牙形工作腔容积，动涡旋在曲拐轴的带动下，在小曲拐防自转机构的约束下，与静涡旋之间实现公转平动，实现多个工作腔容积的周期性变化，完成气液介质的吸入、压缩和排出；动、静涡旋齿外圈采用基圆渐开线，完成吸入过程，无啮合间隙；动、静涡旋齿内圈采用变径基圆渐开线，形成变啮合间隙涡旋齿，实现液相压缩的随机卸荷，完成气液介质的压缩和排出过程，动、静涡旋齿均采用基圆渐开线和变径基圆渐开线组合型线，其涡旋齿型线方程分别为：

静涡旋齿外圈的外侧基圆渐开线301：

静涡旋齿外圈的内侧基圆渐开线302：

静涡旋齿内圈的外侧变径基圆渐开线303：

静涡旋齿内圈的内侧变径基圆渐开线304：

动涡旋齿外圈的外侧基圆渐开线401：

动涡旋齿外圈的内侧基圆渐开线402：

动涡旋齿内圈的外侧变径基圆渐开线403：

动涡旋齿内圈的内侧变径基圆渐开线404：

式中：t-角度参数，rad；R_b-基圆渐开线基圆变径，mm；α-基圆渐开线发生角，rad；φ_n-基圆渐开线和变径基圆渐开线连接处的角度参数，rad；φ_e-涡旋齿齿尾终端角度参数，rad； R_v-变径基圆渐开线基圆的半径，mm， 

a-常数，mm；β_w-外侧变径基圆渐开线发生角，rad， 

β_n-内侧变径基圆渐开线发生角，rad， 

φ_s-涡旋齿齿头始端角度参数，rad。

2.根据权利要求1所述的涡旋式气液多相混输泵，其特征是：其压缩腔有一条通向排出口方向的内泄漏通道，实现液相压缩的随机卸荷。

3.根据权利要求1所述的涡旋式气液多相混输泵，其特征是：吸入过程结束后，形成封闭的工作腔容积，随后随着曲拐轴的转动，压缩过程开始，压缩腔容积逐渐减小，此时从压缩腔通向排出口方向出现啮合间隙，随着压缩过程的进行，压缩腔容积越小，啮合间隙越大。

4.根据权利要求1所述的涡旋式气液多相混输泵，其特征是：动涡旋盘与支架体之间采用小曲拐防自转机构，实现动、静涡旋盘之间的公转平动。 

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