带有用于放大和分布间隙流的装置的多相泵叶轮

摘要

本发明由此涉及一种能插入到多相泵的壳体中的多相压缩机或膨胀器叶轮(转子)。该叶轮包括叶片(Ai)，该叶片包括用于放大和分布所述叶片(Ai)与所述外壳(4)之间的间隙流的装置(6)。

说明书

本发明涉及流体多相泵领域。

流体压缩或膨胀装置，也被称作泵，其由至少一个压缩室组成，该压缩室 通常包括两个部分：叶轮(转子)和扩散器。叶轮安装在转动轴上，例如，通 过键合或收缩配装到该轴上。叶轮由轮毂和至少一个叶片组成，叶片也被称作 为泵叶。扩散器是静态的且与机械本体形成一体。传统上，轴通过轴承至少支 承在两点上，该轴承与包括在泵体内的辊装置形成一体。若干个如此的腔室的 串联连接形成了泵的液压室。此外，泵包括抽吸和排放。

多相流体在泵送之前和在所考虑的压力和温度状态之下可由液体和气体混 合物组成，气体可溶解在液体内或不溶解在液体内。多相流体可以是由油和气 体组成的两相石油流出物。

在传统的旋转动力涡轮机械(压缩机、泵、涡轮机)的情形中，在设计阶 段期间，要细心地注意容纳在转子叶片末端(旋转部分)和机械本体(静止部 分)之间的空间。的确，转动转子所需要的该空间是产生流动总压降和最终机 械效率降低的特殊流动的所在地。

例如，传统的400-MW组合循环的压缩机，其间隙是叶片高度的1％至3％ 之间，该压缩机经受最小为1％的收益损失，即4MW。因此，设计者特别注 意到转子间隙的确定和如何来减小该间隙。

举例来说，图1示出了传统压缩机级的转子。它包括与转动轴(5)形成一 体的收敛的轮毂(3)，叶片(Ai)安装在该轴上。转子布置在机械外壳(4) 内，该外壳形成圆柱形的包壳，更通常而言，形成回转的包壳。为了能使转子 转动，在叶片末端(Ai)和圆柱形外壳(4)之间要有间隙。通常，在文献中， 该间隙以相对的方式量化为叶片高度的百分比或叶片弦的百分比，或以绝对方 式量化为十分之几的毫米。

典型地，在压缩机的情形中，间隙为0.1至0.3毫米，即，对于低压压缩机 来说，大致小于叶片高度的1％(大叶片高度)。而对于高压压缩机来说，高 达6％至10％(小叶片高度)。该间隙是导致机械性能降低的所在地，降低可 高达4个百分点的效率损失。

的确，利用与转动轴形成一体的叶片将机械能转移到流体，机械能呈动能 的形式(流体转动)和压力能的形式(与叶片形成的通道收敛形状有关)。传 统上，叶片按照飞机机翼外廓的方式拱起，这允许产生升力和拖曳力，拖曳力 的作用点围绕轴转动。作功因此传递到流体。叶片形状在叶间通道内形成横向 压力梯度，从叶片过压侧朝向低压侧。流体因此经受两个压力梯度：一个是由 于叶片形状引起的横向的梯度，另一个是纵向梯度(从转子的入口到出口)， 其与通过转动轴提供的能量有关。此外，沿着轮毂和叶片形成的粘滞层与转子 转动效应(离心力和科里奥利(Coriolis)力)相组合，产生了传统上在旋转动力 涡轮机械中遇到的二次流动。由叶片过压侧和叶片低压侧上的压差产生的间隙 流来自这些二次流的顶部。

“涡轮机械的流体动力学和传热”(B.Lakshminarayana,WileyInterscience Publication,1966)一书，提出了泵中所产生的各种流动，尤其是：

-轮毂处的二次流，其从过压侧流向低压侧。其与轮毂上边界层的形成相 联系，边界层的形成与横向压力梯度相关，

-沿着叶轮的径向二次流，其由沿着叶轮的边界层形成所产生，并与离心 力、科里奥利力效应以及横向压力梯度效应相组合，

-低压侧叶轮上的轮毂处的楔形流。它是轮毂处的流动和叶轮旁路流动相 互作用的所在地，

-叶轮末端处的间隙。

叶轮每侧上的压差产生叶轮末端处的流动(图2)，该流动的流量取决于 叶片的厚度、间隙尺寸和流体粘度。图2示出厚叶轮(左图)的流动(Ai)和 较薄叶轮(右图)的流动(Ai)。在间隙入口处，叶轮旁路流动产生一种分离， 该分离可诱发高达间隙60％的流动限制。根据叶片厚度，该分离可以很大或很 小，有可能沿着厚度重附着。在间隙出口处，沿着叶片低压侧形成的径向流和 间隙流之间的互相作用产生涡流，该涡流被称作间隙涡流。

在传统的单相机械(压缩机、泵)的情形中，设计者寻求降低间隙流对机 械效率的影响。已经提出了若干个解决方案来克服该问题：

-在机械外壳内提供不同形状的槽，槽与转子叶轮通道相对，从而“吸收” 间隙流和除去间隙涡流，

-在转子上放置环形护罩。该选项的优点在于，它确实除去了转子中的间 隙流。另一方面，该装置产生环护罩和机械外壳之间的泄漏流，泄漏流 与纵向压力梯度(转子出口处的压力高于其入口处的压力)相关联。因 此朝向外壳出现再循环流动，其在上游流动并影响转子入口处的流动。 如此类型的装置在专利申请FR-2,787,836和FR-2,787,837中有详细的描 述。

此外，多相泵必须确保液体/气体良好的混合。

本发明的目的因此涉及多相压缩机或可插入到混输泵外壳内的膨胀器叶轮 (转子)。叶轮的叶片形状这样进行确定，所确定的叶片形状可放大和分布叶 片和外壳之间的间隙流，其与现有技术的泵不同，现有技术的泵是要减小这些 流动。根据本发明，间隙流集中在精确的区域内。因此，叶轮能使液体和气体 良好地混合并有良好的两相效率。

本发明涉及螺旋-径向-轴向的多相压缩机或包括至少一个安装在轮毂上的 叶片的膨胀器叶轮，所述多相叶轮可布置在多相流体压缩或膨胀装置外壳内。 所述叶片包括用于放大和分布所述叶片和所述外壳之间的间隙流的装置。

根据本发明的一个实施例，所述放大和分布装置包括至少一个区域，在该 区域内，所述外壳与所述叶片之间的间隙相对于所述叶片末端处的所述间隙增 大。

有利地，所述叶片与所述外壳之间的间隙沿所述叶轮的纵向方向或曲线方 向变化。

较佳地，所述叶片与所述外壳之间的所述间隙在某区域内增大，在该区域 内，所述叶片的过压侧与低压侧之间的压差为最大。

有利地，所述间隙在所述叶片纵向长度的大致20％起始的叶片长度上达到 最大值。

此外，所述间隙可在所述叶片的前导边缘和尾部边缘处为最小。

根据一个变型实施例，所述间隙由形成在所述叶片径向末端上的至少一个 槽产生。

替代地，所述间隙由所述叶片与所述外壳之间的间隙的连续变化产生。

根据本发明的一个实施例，所述放大和分布装置包括至少一个区域，在该 区域内，所述叶片厚度相对于所述叶片末端处的厚度增大。

根据本发明的一个实施例，所述放大和分布装置包括所述叶片横向外廓的 至少一个面末端在最小压力方向上的曲率。

较佳地，横向外廓两个面的两个末端在最小压力方向上呈曲线形。

本发明还涉及用来压缩或膨胀至少包括液相和气相的多相流体的装置，其 特征在于，所述装置包括外壳和至少一个根据本发明的叶轮。

参照附图，下面借助于非限制性的实例给出多个实施例，阅读对于这些实 施例的描述，根据本发明方法的其他特征和优点将会变得清晰，附图中：

图1如前所述示出了根据现有技术的压缩机级的转子，

图2如前所述示出了出现在不同厚度两个叶片的介于转子叶片末端和泵壳 之间间隙内的典型流动，

图3示出根据本发明第一实施例的第一变型转子，

图4示出本发明第一实施例的第二变型转子，

图5示出根据现有技术的转子叶片厚度分布(AA)以及根据本发明第二实 施例的转子叶片厚度分布(INV)，

图6示出根据现有技术的转子叶片曲线形状(AA)以及根据本发明第三实 施例的转子曲线形状(INV)，以及

图7示出一叶片。

本发明的目的是多相压缩机或可插入到多相泵外壳内的膨胀器叶轮。多相 叶轮(转子)包括至少一个安装在轮毂上的叶片。根据本发明，叶片包括放大 和分布介于叶片和外壳之间间隙流的装置：叶轮的叶片形状这样进行确定，所 确定的叶片形状可放大叶片和外壳之间的间隙流。的确，在多相泵的情形中， 人们寻求利用该间隙以促进液体/气体的混合，其与单相泵不同，单相泵是要 减小或去除这些流动。

因此，本发明的目标是控制该间隙流，从而明智地将间隙涡流定位在叶片 间的通道内以促进液体/气体混合。

转子叶片末端处的间隙流是以下现象的根源：

-间隙涡流，其传播在叶片间通道内并可能影响流动，

-有利于形成再循环流动，其出现在部分流量中，且其特征在于，压缩级 上游处的回流，

-叶片表面处的压力曲线修正，

-转子出口处的流动修正。

影响这些现象的参数如下：

-外壳和叶片之间间隙尺寸，

-外壳处叶片的厚度，

-叶片各侧之间的压差，其直接与转子几何参数相关联(尤其是叶片弧 度)，

-涡轮机械运行状态：尤其是流量。

确定转子叶片形状以放大叶片和外壳之间的间隙流因此在于调整这些有 影响的参数：外壳和叶片之间间隙的形状和尺寸，和/或叶片厚度和/或外壳处 叶片的形状。

在以下的描述中，“流体”一词应被理解为多相流体，其明显地包括液相和 气相以及可能的固体颗粒，例如，沙子或诸如水合物凝块那样的粘性颗粒。液 相可由好几种不同特性的液体组成；同样地，气相可由好几种不同特性的气体 组成。多相流体显然可以是由油和气体混合物组成的两相的石油流出物。

图7示出了表征叶片(2)的各种几何项：纵向长度是通过泵转动轴线的 平面内叶片(三维)的长度，前导边缘(BA)“引导”流动，其与流动相对地 定位，尾部边缘(BF)位于转子出口处，以及叶片的弦(CD)是通过叶片前 导边缘和尾部边缘的假想线。

根据本发明的第一实施例，放大和分布装置包括至少一个区域，在该区域 内，外壳和叶片之间的间隙相对于叶片末端处的间隙增大。因此，叶片形状这 样进行确定，所确定的叶片形状使得叶片和外壳之间的间隙在叶轮的纵向方向 上变化。

该实施例在于：根据曲线横坐标来改变转子叶片末端处的间隙。通常，间 隙是恒定的，它近似地表示为小于叶片高度的1％或为十分之几毫米。这里， 在于以下几点：

-在叶片过压侧和低压侧之间的压差为最大的地方，间隙增大，

-保持叶片前导边缘处的最小间隙值(由制造公差设定)，以减小转子入 口处的再循环流动，以及

-减小叶片第二轴向部分上的最小间隙，因为二次流已经在那里产生，不 再必要用间隙流来加料。

该间隙可由叶片的外部形状来产生。

根据图3中所示的第一实施例的第一变型，叶片和外壳之间的间隙连续地 变化(6)。在该图中，粗箭头显示流体的流动方向。有利地，在叶片过压侧 和低压侧之间的压差为最大的地方，间隙增大，较佳地，基本上在叶片纵向长 度的20％左右。此外，在叶片的前导边缘处和尾部边缘处间隙可以是最小。

替代地，如图4所示，该实施例可提供叶片末端处的一个或多个槽(7) (不是如现有技术那样在泵壳内)。在该图中，粗箭头显示流体的流动方向。 有利地，槽布置在前导边缘的下游。例如，第一个槽可设置在叶片纵向长度的 20％之处。

在弦的20％处槽或间隙的增大可定向为相对于叶片弦的某个角度，以便 将间隙涡流定向设定在通道内。

装置的宽度可根据转子达到的压力增益进行调整，于是，间隙涡流可充分 地发展而确保在通道内和外壳处液体/气体本地混合。为了防止效率降低，涡 流不应延伸到先前的叶片。

此外，一方面，间隙的结构布置允许限制上游流动的前导边缘处的再循环 流动，另一方面，允许减小尾部边缘处的间隙涡流。

根据本发明的第二实施例，放大和分布装置包括至少一个区域，那里，叶 片厚度相对于叶片末端厚度减小：头部叶片厚度根据曲线横坐标变化。曲线横 坐标定义为循着叶片构架线沿叶片形成的长度，其从前导边缘算起。换句话说， 曲线横坐标m可由以下表达式定义：其中，dz是沿叶片 轴向方向的长度元件，d(rθ)是沿切线方向的长度元件，r是半径，而θ是 围绕机械的转动轴线的方位角。

有利地，根据叶片的曲线横坐标方向(即沿着叶片)，前导边缘附近和尾 部边缘附近的叶片厚度大于所述叶片在其中心处的厚度。更精确的说，本发明 的该实施例在于保持或增大末端处的厚度，而减小叶片中心处的厚度。图5 示出根据现有技术的叶片(AA)和根据该第二实施例的叶片(INV)的头部 叶片厚度(E)按照曲线横坐标的分布。在该图中，箭头显示针对根据该第二 实施例(INV)的叶片的流动。

该新的结构布置允许增大前导边缘和尾部边缘处间隙内的压降，并允许减 小叶片中部(此处厚度较小)的压降。这有利于增大叶片中心处的间隙流量。 它还允许减小来自前导边缘并流动在上游的再循环流(流量减小时压力增益减 小的根源)，并允许减小尾部边缘处的间隙涡流对转子出口处流动的影响。

最后，促进间隙流处的叶片厚度减小还允许减小间隙内的混合区域，并因 此促进间隙出口处的涡流形成。

根据本发明的第三实施例，放大和分布装置包括横截面图中的沿着叶片最 小压力方向的横向外廓中至少一个面末端的曲率，横截面图即为垂直于机械转 动轴线的平面内的视图。该形状适于放大叶片和外壳之间的间隙流。有利地， 叶片横向外廓的至少一个面的末端在最小压力方向上是弧形的。较佳地，叶片 横向外廓的两个末端在最小压力方向上都是弧形的。

图6在前视图中示出根据现有技术的叶片(Ai)形状(AA)以及根据该 第三实施例的叶片形状(INV)。叶片一般地具有位于其末端处的矩形外廓 (AA)。在第三实施例(INV)的范围之内，叶片在外壳高度处沿最小压力 方向上有略微的弧形。还可能使叶片仅一个面是弧形的，例如，过压面可以是 弧形的，而低压面可以保持矩形的。

该种结构布置的目的是促进源自径向二次流的间隙流，二次流沿着叶片形 成在其过压侧上。这还允许减小作为间隙流中压降根源的分离。

以上提出的本发明实施例可以两个与两个地组合，或所有的组合在一起， 即，将它们流动上的效应组合起来，并允许液体和气体良好地进行混合。

针对机械的转子/外壳间隙所提供的各种改进并不修正转子出口处的速度 曲线。压力增益相对于传统腔室的形状因此未受到影响。

另一方面，控制间隙流的目标是优化间隙涡流和不移除它。为了确保液体 /气体的混合并有较佳的输出损失管理，它允许最大程度地利用了有益的效应。

因此所观察到的效应是：

-在单向流中，维持或提高多相泵的产出并保持压缩级达到的总体压力增 益。一般地，与间隙处泄漏流相联系的总压力损失在单向流中代表了大 约10个效率点的价值(对于传统压缩机来说，2至4个点)。这里，所 提供的修正略微提高了多相泵的效率，因为所提供的修正在于明智而审 慎地分配了泄漏流量而不是增大它，

-通过明智而审慎地定位叶片间通道内的间隙涡流，增大两相流效率几个 点，

-降低转子上游观察到的再循环流动的负面效应，以减小流量的方式来实 现。要提醒的是，对于低流量来说，该再循环流动是在外壳处产生的。 再循环流动向上流动在入口管并分布进入转子的流动。

根据三个实施例的叶片可放置在一起并通过焊接固定到轮毂，或叶片和轮 毂可用模制或铣削加工制成。

此外，本发明涉及压缩或膨胀多相流体的装置(多相泵)，其包括至少一 个外壳和压缩室，压缩室包括至少一个如上所述的叶轮。叶轮安装在转轴上， 例如，通过键合或收缩技术配装到该轴上。叶轮由轮毂和至少一个叶片组成。 扩散器是静止的，并与机械本体形成一体。传统上，轴通过轴承至少支承在两 点上，轴承与包括在泵体内的辊装置形成一体。若干个如此的腔室的串联连接 形成了泵的液压室。此外，泵包括抽吸和排放。

根据本发明的泵显然可用来泵送由油和气体混合物组成的两相的石油流 出物。