一种串式三转子容积可调的油气砂混输转子泵

1.本发明涉及转子泵技术领域，尤其涉及一种串式三转子容积可调的油气砂混输转子泵。


背景技术：

2.目前油气现场采用的集输方式多为油气分输，需要为气相和液相单独建设管道以满足输送需求，同时需要配备分离器进行气液分离，配备泵和压缩机以分别给液相和气相加压。上述方案导致建设占地面积增大，工程造价较高。混输泵作为混输工艺的核心，可用于降低井口回压，将气液混合物使用一管道进行输送，达到简化地面技术系统工艺流程、降低工程建设的目的，具有良好的积极意义与巨大的使用潜力。
3.目前投入油气田现场应用的主要是螺旋轴流式混输泵和螺杆式混输泵。由于螺旋轴流式混输泵通过螺旋叶轮的离心力来输送液体和悬浮颗粒，所以不能处理较大颗粒物质，颗粒过大容易卡死叶轮，导致泵的故障；另外在输送高粘度的油水混合物时，叶轮容易受到负荷影响而减速，降低泵的效率；相比于螺杆式混输泵，螺旋轴流式混输泵的构造更加复杂，制造和维护成本相对较高。螺杆式混输泵采用的是容积输送原理，所以输送的颗粒物质直径不能太大，否则会卡死螺杆；随着使用时间的增长，螺杆与泵体之间的间隙会逐渐加大，使得泵的效率逐渐降低；当输送的颗粒物质中含有大量的杂质时，会对螺杆、轴承等部件造成损害，导致泵的寿命缩短。
4.因此，现有油气田现场应用的混输泵存在输送大颗粒物质和粘稠流体较为困难，容易发生损坏故障等问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明的目的是提供一种串式三转子容积可调的油气砂混输转子泵，用于解决现有油气田现场应用的混输泵存在输送大颗粒物质和粘稠流体较为困难，容易发生损坏故障等问题。
6.本发明通过以下技术手段解决上述技术问题：
7.一种串式三转子容积可调的油气砂混输转子泵，包括壳体、主转子、第一副转子和第二副转子，还包括四个凸台，四个所述凸台分别位于第一副转子和第二副转子的相对两侧，且所述凸台不干涉主转子转动，所述凸台的上型线是第一副转子或第二副转子的第二叶顶圆弧的包络线，所述凸台可拆卸地安装在壳体的内壁上；
8.所述第一副转子和第二副转子位于主转子的相对两侧且始终能够与主转子啮合，所述第一副转子和第二副转子在旋转的过程中始终能够与壳体的内壁接触或不接触并形成动态密封。
9.在一些可选的实施例中，所述凸台上固定有连接头，所述壳体内壁对应连接头的位置开设有与连接头适配的安装槽，所述连接头插接在安装槽中。
10.在一些可选的实施例中，所述凸台背离壳体的一侧还设有第一连接线、第二连接
线和下型线，所述上型线、第一连接线、第二连接线和下型线依次连接成型并与第一副转子或第二副转子形成动态密封。
11.在一些可选的实施例中，所述第一连接线为垂直线，所述第二连接线为倒角圆弧线，所述下型线为水平线。
12.在一些可选的实施例中，所述第一连接线为垂直线，所述第二连接线为内凹圆弧线，所述下型线为水平线，所述第二连接线为主转子的第一叶顶圆弧的包络线。
13.在一些可选的实施例中，所述凸台背离壳体的一侧还设有弧形凹槽，所述弧形凹槽内放置有滚轴，当主转子、第一副转子和第二副转子滚动时，所述滚轴与主转子的第一叶顶圆弧、第一副转子和第二副转子的第二叶顶圆弧接触滚动。
14.在一些可选的实施例中，所述主转子为轴对称结构，所述主转子的1/4型线由第一圆弧、切圆弧过渡圆弧和第一叶顶圆弧组成，所述第一圆弧通过切圆弧、过渡圆弧与第一叶顶圆弧光滑连接，所述切圆弧、过渡圆弧凸向所述主转子的轴心，所述第一圆弧、第一叶顶圆弧凹向所述主转子的轴心。
15.在一些可选的实施例中，所述主转子的1/4型线如下：
16.第一圆弧为外凸圆弧，其参数方程如下：
[0017][0018]
其中：r1为第一圆弧的半径，α为参变量，为参数对应第一圆弧的圆心角；
[0019]
切圆弧为内凹偏心圆弧，其参数方程如下：
[0020][0021]
其中：r2为切圆弧的半径，β为参变量，θ为参数对应切圆弧的起点与以切圆弧圆心为坐标系原点的坐标系的-x方向的夹角；
[0022]
过渡圆弧为内凹偏心圆弧，其参数方程如下：
[0023][0024]
其中：(xc，yc)为点c在切圆弧上的坐标点，r3为过渡圆弧的半径，ε为参变量，t为过渡圆弧终点与x轴的夹角；
[0025]
第一叶顶圆弧为外凸偏心圆弧，其参数方程如下：
[0026][0027]
其中：(xd，yd)为点d在过渡圆弧上的坐标点，为第一叶顶圆弧的半径，χ为参变量。
[0028]
在一些可选的实施例中，所述第一副转子和第二副转子均为轴对称结构，所述第一副转子和第二副转子的1/4型线包括第二叶顶圆弧、第一曲线、第二曲线和第三曲线，所述主转子与第一副转子和第二副转子同步转动时，所述第一圆弧与第二叶顶圆弧相互共轭，所述第一切圆弧与第一曲线共轭，所述过渡圆弧与第二曲线共轭，所述第一叶顶圆弧与
第三曲线共轭。
[0029]
在一些可选的实施例中，所述第一副转子和第二副转子的1/4型线如下：
[0030]
第三曲线的参数方程如下：
[0031][0032]
其中：e为主副转子配合的中心距，h为第三曲线与第一圆弧共轭时对应的间隙；
[0033]
第二曲线的参数方程如下：
[0034][0035]
第一曲线的参数方程如下：
[0036][0037]
第二叶顶圆弧的参数方程如下：
[0038][0039]
其中：λ为参变量。
[0040]
在一些可选的实施例中，所述壳体的上下内壁上均设置有织构。
[0041]
本发明的串式三转子容积可调的油气砂混输转子泵，第一副转子和第二副转子在旋转的过程中始终能够与壳体的内壁接触并形成动态密封，联合设置的可拆卸可替换的凸台，可实现根据输送介质的不同需求组合改变泵容积以实现不同需求介质的输运，在运输的过程中，主转子主要起到输送介质的作用。另外，改变凸台的下型线可改变混输转子泵工作腔大小，以适应不同流量、不同粘度、不同颗粒大小的油气砂三相混合物的输送，可输送的粘度比较范围较为广泛，可以输送高粘度的重质原油、油砂混合物、高粘度蜡油等，输送的颗粒大小范围也较广泛，一般可以输送直径小于10mm的颗粒物质，包括砂子、小石头、砾石等，且具有体积小、流量大、能耗低、加工件少、成本低、维护方便的优点。此外，本发明的油气砂混输转子泵由于其内部无螺杆式设计、无叶轮设计，内部结构部件主要为主转子、凸台、第一副转子和第二副转子，在输送油气砂介质，启动工作时，内部结构部件不容易损坏，不易发生损坏故障等问题。
附图说明
[0042]
图1是实施例1的串式三转子容积可调的油气砂混输转子泵的结构示意图；
[0043]
图2是实施例1的凸台的结构示意图；
[0044]
图3是实施例2的串式三转子容积可调的油气砂混输转子泵的结构示意图；
[0045]
图4是实施例2的凸台的结构示意图；
[0046]
图5是实施例3的串式三转子容积可调的油气砂混输转子泵的结构示意图；
[0047]
图6是实施例3的凸台的结构示意图；
[0048]
图7是本发明的主转子的结构示意图；
[0049]
图8是本发明的第一副转子或第二副转子的结构示意图；
[0050]
图9是壳体的结构示意图；
[0051]
其中，壳体1、主转子2、第一副转子3、第二副转子4、凸台5、第一连接线51、第二连接线52、下型线53、上型线54、连接头6、安装槽7、表面织构8、滚轴9。
具体实施方式
[0052]
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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0053]
实施例1
[0054]
请参照图1和图2，本实施例的串式三转子容积可调的油气砂混输转子泵，包括壳体1、主转子2、第一副转子3和第二副转子4，还包括四个凸台5，四个凸台5分别位于第一副转子3和第二副转子4的相对两侧，即其中两个凸台5分别位于第一副转子3的相对两侧，另外两个凸台5分别位于第二副转子4的相对两侧。且凸台5不干涉主转子2转动，即主转子2的转动始终不受凸台5的阻碍。此处凸台5与主转子可以有面接触、点接触和留有间隙，只要凸台5不阻碍主转子2的转动即可，本实施例的凸台5与主转子2之间留有间隙，即始终不接触。
[0055]
凸台5的上型线是第一副转子3或第二副转子4的第二叶顶圆弧的包络线，凸台5可拆卸地安装在壳体1的内壁上，可根据使用需求替换或组合凸台5使用。具体的，凸台5上固定有连接头6，壳体1内壁对应连接头6的位置开设有与连接头6适配的安装槽7，连接头6插接在安装槽7中，本实施例的连接头6呈燕尾形或其他安装形状，并利用沉头螺钉将连接头6固定安装在安装槽7中。如图9所示，为了达到存砂、容砂，增加润滑，减少摩擦的效果，在壳体1的上下内壁上均设置有表面织构8，此处的表面织构8类似于若干小盲孔，小盲孔可以是口径较小，内部空腔较大的结构，小盲孔内部可以填充润滑材料，以减少第一副转子3或第二副转子4在转动时与壳体1的摩擦，避免变形损坏，保持动态密封效果。
[0056]
第一副转子3和第二副转子4分别位于主转子2的相对两侧且始终能够与主转子2啮合，达到输送介质的作用，第一副转子3和第二副转子4在旋转的过程中始终能够与壳体1的内壁接触并形成动态密封。
[0057]
凸台5与第一副转子3和第二副转子4形成动态密封，协助主转子2工作，减少回流。凸台5与主转子2形成较大工作腔且互不干涉，主要实现颗粒物料的运输。具体的，凸台5的上型线54为第一副转子3或第二副转子4的圆弧包络线，凸台5背离壳体1的一侧还设有第一
连接线51、第二连接线52和下型线53，上型线54、第一连接线51、第二连接线52和下型线53依次连接成型并与第一副转子3或第二副转子4形成动态密封。本实施例中第一连接线51为垂直线，第二连接线52为倒角圆弧线，下型线53为水平线。
[0058]
本实施例中上型线54的参数方程如下：
[0059][0060]
其中，e-h-r1＜r≤e-h-r1+0.25，-90
°
+ξ≤η＜-90
°
，r为上型线54圆弧半径，η为上型线54上各点与x轴的夹角，ξ为上型线54终点与-y轴的夹角，r1为第一圆弧ab的半径，e为主副转子配合的中心距，h为第三曲线fg与第一圆弧ab共轭时对应的间隙。
[0061]
本实施例中的壳体1、凸台5和主转子2组成的工作腔较大，混输泵的流量大，输送的粘度和颗粒物质大小的范围较广泛，可以处理高粘度、含有大颗粒的大流量油气砂三相混合物。
[0062]
请参照图7，主转子2为轴对称结构，且关于坐标轴呈轴对称，即既关于x轴呈轴对称，也关于y轴呈轴对称，因此，在设计型线的时候只需要设计其四分之一，然后将设计好的四分之一主转子2关于直角坐标系x轴、y轴翻转、对称，即可形成完整的主转子2型线。主转子2的1/4型线由第一圆弧ab、切圆弧bc、过渡圆弧cd和第一叶顶圆弧de组成，第一圆弧ab通过切圆弧bc、过渡圆弧cd与第一叶顶圆弧de光滑连接，切圆弧bc、过渡圆弧cd凸向主转子2的轴心，第一圆弧ab、第一叶顶圆弧de凹向主转子2的轴心。
[0063]
具体的，为了实现主转子2和第一副转子3和第二副转子4更好的啮合，主转子2主要起到做功作用，而第一副转子3或第二副转子4保持动态密封效果。
[0064]
主转子2的1/4型线如下：
[0065]
第一圆弧ab为外凸圆弧，其参数方程如下：
[0066][0067]
其中：r1为第一圆弧ab的半径，α为参变量，为参数对应第一圆弧ab的圆心角；
[0068]
切圆弧bc为内凹偏心圆弧，其参数方程如下：
[0069][0070]
其中：r2为切圆弧bc的半径，β为参变量，θ为参数对应切圆弧bc的起点与以切圆弧bc圆心为坐标系原点的坐标系的-x方向的夹角；
[0071]
过渡圆弧cd为内凹偏心圆弧，其参数方程如下：
[0072][0073]
其中：(xc，yc)为点c在切圆弧bc上的坐标点，r3为过渡圆弧cd的半径，ε为参变量，t为过渡圆弧终点与x轴的夹角；
[0074]
第一叶顶圆弧de为外凸偏心圆弧，其参数方程如下：
[0075][0076]
其中：(xd，yd)为点d在过渡圆弧cd上的坐标点，为第一叶顶圆弧de的半径，χ为参变量。
[0077]
将设计得到的圆弧ab、切圆弧bc、过渡圆弧cd、叶顶圆弧de连接成光滑曲线，然后将这条曲线做关于坐标系y轴、x轴的对称，得到完整主转子2型线。
[0078]
请参照图8，第一副转子3和第二副转子4的结构、大小均相同，也均为轴对称结构，且关于坐标轴呈轴对称。第一副转子3或第二副转子4的1/4型线包括第二叶顶圆弧ij、第一曲线hi、第二曲线gh和第三曲线fg，主转子2与第一副转子3和第二副转子4同步转动时，第一圆弧ab与第二叶顶圆弧ij相互共轭，第一切圆弧bc与第一曲线hi共轭，过渡圆弧cd与第二曲线gh共轭，第一叶顶圆弧de与第三曲线fg共轭。
[0079]
具体的，第一副转子3或第二副转子4的1/4型线如下：
[0080]
第三曲线fg的参数方程如下：
[0081][0082]
其中：e为主副转子配合的中心距，h为第三曲线fg与第一圆弧ab共轭时对应的间隙；
[0083]
第二曲线gh的参数方程如下：
[0084][0085]
第一曲线hi的参数方程如下：
[0086][0087]
第二叶顶圆弧ij的参数方程如下：
[0088][0089]
其中：λ为参变量。
[0090]
将设计得到的曲线fg、曲线gh、曲线hi、圆弧ij连接成光滑曲线，然后再将这条曲线做关于坐标系y轴、x轴镜像对称，得到完整副转子型线。
[0091]
实施例2
[0092]
请参照图3和图4，本实施例的油气砂混输转子泵与实施例1的区别在于：
[0093]
第一连接线51为垂直线，第二连接线52为内凹圆弧线，下型线53为水平线，本实施例凸台5与主转子2有面接触，但是凸台5仍然不干涉主转子2的转动，其中第二连接线52为主转子2的第一叶顶圆弧的包络线。本实施例的壳体1、凸台5和主转子2组成的工作腔较小，混输泵的流量较小，适用于低产量油田的连续混输，可以处理低粘度、小流量的油气砂三相混合物。
[0094]
本实施例中第二连接线52的参数方程如下：
[0095]
x＝rcosσ；
[0096]
y＝rsinσ；
[0097]
其中，y
d+
r4*cost＜r＜y
d+
r4*cost+0.25，90
°
＜σ≤90
°
+μ，其中yd为点d在y轴上的坐标，r为第二连接线52的圆弧半径，σ为第二连接线52上各点与x轴的夹角，μ为第二连接线52的终点与y轴的夹角，r4为第一叶顶圆弧的半径。
[0098]
实施例3
[0099]
请参照图5和图6，本实施例的油气砂混输转子泵与实施例1的区别在于：
[0100]
凸台5背离壳体1的一侧还设有弧形凹槽，弧形凹槽内放置有滚轴9，滚轴9可以滚动，滚轴9采用自润滑材料制成，包括但不限于聚四氟乙烯、碳纤维、石墨、聚苯酯、含油尼龙、聚醚醚铜、聚酰亚胺、对位聚苯、聚苯硫醚等润滑油脂等。当主转子2、第一副转子3和第二副转子4滚动时，滚轴9与主转子2的第一叶顶圆弧、第一副转子3和第二副转子4的第二叶顶圆弧均有接触滚动，对主转子2和第一副转子3及第二副转子4进行润滑一次。本实施例适用于输送低粘度、大流量介质，例如石油中砂粒含量占比较大的油气砂三相混合物。
[0101]
本发明的油气砂混输转子泵设置的可拆卸可替换的凸台5，可实现根据输送介质的不同需求组合改变泵容积以实现不同需求介质的输运，改变凸台5的下型线可改变混输转子泵工作腔大小，以适应不同流量、不同粘度、不同颗粒大小的油气砂三相混合物的输送，可输送的粘度比较范围较为广泛，可以输送高粘度的重质原油、油砂混合物、高粘度蜡油等，输送的颗粒大小范围也较广泛，一般可以输送直径小于10mm的颗粒物质，包括砂子、小石头、砾石等，且具有体积小、流量大、能耗低、加工件少、成本低、维护方便的优点。
[0102]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。

技术特征：
1.一种串式三转子容积可调的油气砂混输转子泵，包括壳体、主转子、第一副转子和第二副转子，其特征在于，还包括四个凸台，四个所述凸台分别位于第一副转子和第二副转子的相对两侧，且所述凸台不干涉主转子转动，所述凸台的上型线是第一副转子或第二副转子的第二叶顶圆弧的包络线，所述凸台可拆卸地安装在壳体的内壁上；所述第一副转子和第二副转子位于主转子的相对两侧且始终能够与主转子啮合，所述第一副转子和第二副转子在旋转的过程中始终能够与壳体的内壁形成动态密封。2.根据权利要求1所述的一种串式三转子容积可调的油气砂混输转子泵，其特征在于，所述凸台上固定有连接头，所述壳体内壁对应连接头的位置开设有与连接头适配的安装槽，所述连接头插接在安装槽中。3.根据权利要求1所述的一种串式三转子容积可调的油气砂混输转子泵，其特征在于，所述凸台背离壳体的一侧还设有第一连接线、第二连接线和下型线，所述上型线、第一连接线、第二连接线和下型线依次连接成型并与第一副转子或第二副转子形成动态密封。4.根据权利要求3所述的一种串式三转子容积可调的油气砂混输转子泵，其特征在于，所述第一连接线为垂直线，所述第二连接线为倒角圆弧线，所述下型线为水平线。5.根据权利要求3所述的一种串式三转子容积可调的油气砂混输转子泵，其特征在于，所述第一连接线为垂直线，所述第二连接线为内凹圆弧线，所述下型线为水平线，所述第二连接线为主转子的第一叶顶圆弧基圆的包络线。6.根据权利要求3所述的一种串式三转子容积可调的油气砂混输转子泵，其特征在于，所述凸台背离壳体的一侧还设有弧形凹槽，所述弧形凹槽内放置有滚轴，当主转子、第一副转子和第二副转子滚动时，所述滚轴与主转子的第一叶顶圆弧、第一副转子和第二副转子的第二叶顶圆弧接触滚动。7.根据权利要求1所述的一种串式三转子容积可调的油气砂混输转子泵，其特征在于，所述主转子为轴对称结构，所述主转子的1/4型线由第一圆弧、切圆弧、过渡圆弧和第一叶顶圆弧组成，所述第一圆弧通过切圆弧、过渡圆弧与第一叶顶圆弧光滑连接，所述切圆弧、过渡圆弧凸向所述主转子的轴心，所述第一圆弧、第一叶顶圆弧凹向所述主转子的轴心。8.根据权利要求7所述的一种串式三转子容积可调的油气砂混输转子泵，其特征在于，所述主转子的1/4型线如下：第一圆弧为外凸圆弧，其参数方程如下：其中：r1为第一圆弧的半径，α为参变量，为参数对应第一圆弧的圆心角；切圆弧为内凹偏心圆弧，其参数方程如下：其中：r2为切圆弧的半径，β为参变量，θ为参数对应切圆弧的起点与以切圆弧圆心为坐标系原点的坐标系的-x方向的夹角；过渡圆弧为内凹偏心圆弧，其参数方程如下：
其中：(x
c
，y
c
)为点c在切圆弧上的坐标点，r3为过渡圆弧的半径，ε为参变量，t为过渡圆弧终点与x轴的夹角；第一叶顶圆弧为外凸偏心圆弧，其参数方程如下：其中：(x
d
，y
d
)为点d在过渡圆弧上的坐标点，为第一叶顶圆弧的半径，χ为参变量。9.根据权利要求1所述的一种串式三转子容积可调的油气砂混输转子泵，其特征在于，所述第一副转子和第二副转子均为轴对称结构，所述第一副转子和第二副转子的1/4型线包括第二叶顶圆弧、第一曲线、第二曲线和第三曲线，所述主转子与第一副转子和第二副转子同步转动时，所述第一圆弧与第二叶顶圆弧相互共轭，所述第一切圆弧与第一曲线共轭，所述过渡圆弧与第二曲线共轭，所述第一叶顶圆弧与第三曲线共轭；所述第一副转子和第二副转子的1/4型线如下：第三曲线的参数方程如下：其中：e为主副转子配合的中心距，h为第三曲线与第一圆弧共轭时对应的间隙；第二曲线的参数方程如下：第一曲线的参数方程如下：第二叶顶圆弧的参数方程如下：
其中：λ为参变量。10.根据1-9任一项所述的一种串式三转子容积可调的油气砂混输转子泵，其特征在于，所述壳体的上下内壁上均设置有织构。

技术总结
本发明涉及转子泵技术领域，公开了一种串式三转子容积可调的油气砂混输转子泵，包括壳体、主转子、第一副转子和第二副转子，还包括四个凸台，四个所述凸台分别位于第一副转子和第二副转子的相对两侧，且所述凸台不干涉主转子转动，所述凸台的上型线是第一副转子或第二副转子的第二叶顶圆弧的包络线，所述凸台可拆卸地安装在壳体的内壁上；所述第一副转子和第二副转子位于主转子的相对两侧且始终能够与主转子啮合，所述第一副转子和第二副转子在旋转的过程中始终能够与壳体的内壁接触。本发明用于解决现有油气田现场应用的混输泵存在输送大颗粒物质和粘稠流体较为困难，容易发生损坏故障等问题。故障等问题。故障等问题。


技术研发人员：米艳梅 李琴 黄志强 马亚超 王美玲 陈洪亮 王俊杰 刘伯韬 魏强 查家琪
受保护的技术使用者：西南石油大学
技术研发日：2023.05.31
技术公布日：2023/10/15