液压动力轴承特征部 |
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| 申请号 | CN201580075605.X | 申请日 | 2015-12-04 | 公开(公告)号 | CN107532647B | 公开(公告)日 | 2020-06-30 |
| 申请人 | 能量回收股份有限公司; | 发明人 | C·V·德什潘德; | ||||
| 摘要 | 一种系统，包括构造成在第一 流体 和第二流体之间交换压 力 的液压转移系统，其中，第一流体的压力高于第二流体，液压转移系统包括： 套管 (164)，其包括椭圆形形状；圆柱形 转子 (166)，其以同心布置设置在套管(164)内，其中，圆柱形转子(166)被构造成围绕旋 转轴 线周向地旋转并且具有彼此相对设置的第一端面和第二端面。系统包括具有与转子的第一和第二端面交界的第一和第二表面的第一和第二端盖(184、186)。系统包括设置在套管与圆柱形转子之间的第一和第二径向间隙，其中，径向间隙被构造成至少部分地基于压差增加或减小。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种系统，包括： |
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| 说明书全文 | 液压动力轴承特征部[0001] 相关申请的交叉引用 [0002] 本申请要求提交于2014年12月5日的名称为“Hydrodynamic Bearing Features(液压动力轴承特征部)”的美国临时专利申请第62/088,342号的优先权和权益，该申请全文以引用方式纳入本文。 背景技术[0003] 本节旨在向读者介绍可能与在下文中描述和/或要求保护的本发明的各个方面有关的技术的各个方面。本论述被认为有助于向读者提供背景技术信息，以有利于更好地理解本发明的各个方面。因此，应当理解，这些陈述是要基于此而不是作为对现有技术的认可来阅读。 [0004] 诸如旋转泵和压力交换器之类的流体处理装备可能易于损失效率、损失性能、磨损和有时随时间推移的破损。结果，装备必须脱机以进行检查、修理和/或更换。遗憾的是，装备的停产期对于特定的工厂、设施或作业现场可能是耗费人力和成本高昂的。在某些情况下，流体处理装备可能易于出现不对准、不平衡或其他异常情况，这可能增加磨损和其他问题，并且还造成不期望的停产期。这种装备停产期对于连续运行尤其麻烦。因此，需要增加流体处理装备的可靠性和寿命。附图说明 [0005] 当参考附图阅读下面的具体描述时，本发明的各种特征、方面和优点将变得更好理解，在所有图中相同的标记代表相同的部件，在附图中： [0006] 图1是旋转式等压压力交换器(旋转式IPX)的实施例的分解立体图； [0007] 图2是处于第一操作位置的旋转式IPX的实施例的分解立体图； [0008] 图3是处于第二操作位置的旋转式IPX的实施例的分解立体图； [0009] 图4是处于第三操作位置的旋转式IPX的实施例的分解立体图； [0010] 图5是处于第四操作位置的旋转式IPX的实施例的分解立体图； [0011] 图6是图1的旋转式IPX的实施例的示意性剖视图； [0013] 图8是图1的旋转式IPX的套管和转子的实施例的轴向端视图； [0014] 图9是图1的旋转式IPX的套管和转子的实施例的轴向端视图； [0015] 图10是图1的旋转式IPX的端盖的实施例的轴向端视图； [0016] 图11是图10的液压动力特征部的实施例的剖视图； [0017] 图12是图10的液压动力特征部的实施例的剖视图； [0018] 图13是图10的液压动力特征部的实施例的剖视图； [0019] 图14是图10的液压动力特征部的实施例的剖视图； [0020] 图15是具有基本上弧形的横截面的液压动力特征部的另一个实施例；以及[0021] 图16是带有液压能量转移系统的压裂系统的实施例的示意图。 具体实施方式[0022] 下面将描述本发明的一个或多个特定实施例。所描述的这些实施例仅作为本发明的示例。另外，为了提供这些示例性实施例的简要说明，可能无法在本说明书中描述实际实施方案的所有特征。应当理解，如在任意工程或设计项目中那样的，在对任何这种实际实施方案的开发中，大量的针对实施方案的决定都应为实现开发者的具体目标而作出，这些目标诸如是遵守在各个实施方案中均不同的与系统相关和与商业有关的限制。此外，应当理解，这样的开发努力可能是复杂且耗时的，但对于受益于本公开的本领域普通技术人员来说，这些都是设计、制作和制造中所从事的日常事务。 [0023] 如下文详细讨论的，液压能量转移系统在第一流体(例如，压力交换流体)与第二流体(例如，压裂流体或盐化流体)之间转移功和/或压力。在某些实施例中，第一流体可以比第二流体“清洁”得多。换句话讲，第二流体可以包含溶解的和/或悬浮的颗粒。此外，在某些实施例中，第二流体可以比第一流体更有黏性。另外，第一流体可以在第一压力下，该第一压力在大约5000kPa至25000kPa、20000kPa至50000kPa、40000kPa至75000kPa、75000kPa至100000kPa之间或大于第二流体的第二压力。在操作中，液压能量转移系统可能或可能不完全均衡第一流体和第二流体之间的压力。因此，液压能量转移系统可以等压地或基本上等压地操作(例如，其中，第一流体和第二流体的压力在彼此的大约百分之+/-1、2、3、4、5、6、7、8、9或10内均衡)。 [0024] 液压能量转移系统也可以被描述为液压保护系统、液压缓冲系统或液压隔离系统，因为它阻挡或限制在第二流体与液压装备的各个部件(例如，高压泵、热交换器)之间的接触，同时仍在第一流体与第二流体之间交换功和/或压力。通过阻挡或限制在液压装备的各个部件与第二流体(例如，更有黏性的流体、带有悬浮固体的流体)之间的接触，液压能量转移系统减少磨蚀/磨损，由此增加该装备(例如，高压泵)的寿命/性能。此外，它可以允许液压系统使用更廉价的装备，例如不设计用于磨蚀性流体(例如，带有悬浮颗粒的流体)的高压泵。在一些实施例中，液压能量转移系统可以是液压涡轮增压器、旋转等压压力交换器(例如，旋转式IPX)或非旋转等压压力交换器(例如，球囊、往复式等压压力交换器)。旋转和非旋转的等压压力交换器可以大体上限定为在不使用离心技术的情况下以超过大约50％、60％、70％、80％或90％的效率在高压进入流和低压进入流之间转移流体压力的设备。 [0025] 如上文所阐述的，液压能量转移系统在第一流体与第二流体之间转移功和/或压力。这些流体可以是多相流体，诸如气体/液体流、气体/固体微粒流、液体/固体微粒流、气体/液体/固体微粒流、或任何其他多相流。此外，这些流体可以是非牛顿流体(例如，剪切致稀流体)、高度黏性流体、包含支撑剂的非牛顿流体、或包含支撑剂的高度黏性流体。支撑剂可包括砂、固体颗粒、粉末、碎屑、陶瓷、或它们的任何组合。例如，所公开的实施例可以用于油气装备，诸如使用支撑剂(例如，载有颗粒的流体)来压裂井中的岩层的液力压裂装备。 [0026] 图1是旋转式等压压力交换器160(旋转式IPX)的实施例的分解立体图，该交换器能够在第一流体与第二流体之间转移压力和/或功，且具有流体的最小化混合。应当指出，在以下论述中可能涉及对各种方向(例如，轴向188、径向189和周向191)的引用。旋转式IPX 160可包括大体上圆柱形的主体部分162，主体部分162包括设置在外壳212内的套管164和转子166。旋转式IPX 160还可包括两个端帽168和170，端帽168和170分别包括管汇172和 174。管汇172包括相应的入口端口176和出口端口178，而管汇174包括相应的入口端口180和出口端口182。在操作中，这些入口端口176、180允许第一流体进入旋转式IPX 160以交换压力，而出口端口180、182允许第一流体接着离开旋转式IPX 160。在操作中，入口端口176可以接纳高压(HP)第一流体，并且在交换压力之后，出口端口178可以用来将低压(LP)第一流体导引出旋转式IPX 160。类似地，入口端口180可以接纳低压第二流体，并且出口端口 182可以用来将高压第二流体导引出旋转式IPX 160。端帽168和170包括设置在相应的管汇 172和174内的相应的端盖184和186，端盖184和186允许与转子166流体密封接触。转子166可以是圆柱形的并且设置在套管164中，这允许转子166围绕轴线188旋转。转子166可具有多个通道190，通道190基本上纵向地延伸穿过转子166，转子166在每个端部处具有围绕纵向轴线188对称地布置的开口192和194。转子166的开口192和194布置用于与在端盖184和 186中的入口孔口196和200以及出口孔口198和202液压连通，使得在旋转期间通道190暴露于高压流体和低压流体。如图所示，入口孔口196和200以及出口孔口198和202可以设计成圆弧或圆段(例如，C形)的形式。 [0027] 在一些实施例中，使用传感器反馈的控制器可以控制在旋转式IPX 160中的第一流体与第二流体之间的混合的程度，这可以用来改善流体处理系统的可操作性。例如，改变进入旋转式IPX 160的第一流体和第二流体的比例允许装置操作者控制液压能量转移系统内混合的流体的量。旋转式IPX 160影响混合的三个特性为：(1)转子通道190的纵横比；(2)第一流体与第二流体之间暴露的短持续时间；以及(3)在转子通道190内第一流体与第二流体之间流体屏障(例如，交界面)的产生。第一，转子通道190为大体上狭长的，这使旋转式IPX 160内的流稳定。此外，第一流体和第二流体可以塞流流态以极小的轴向混合运动通过通道190。第二，在某些实施例中，转子166的速度减少了第一流体与第二流体之间的接触。例如，转子166的速度可以将第一流体与第二流体之间的接触时间减少至小于大约0.15秒、 0.10秒或0.05秒。第三，转子通道190的一小部分用于在第一流体与第二流体之间交换压力。因此，一定体积的流体作为在第一流体与第二流体之间的屏障保留在通道190中。所有这些机制可以限制旋转式IPX 160内的混合。此外，在一些实施例中，旋转式IPX 160可以设计成利用将第一流体和第二流体隔离的内部活塞操作，同时允许压力转移。 [0028] 图2－5是旋转式IPX 160的实施例的分解图，示出了当通道190旋转通过整个循环时转子166中的单个通道190的位置的顺序。应当指出，图2－5是示出一个通道190的旋转式IPX 160的简化形式，并且通道190示出为具有圆形横截面形状。在其他实施例中，旋转式IPX 160可包括具有相同或不同横截面形状(例如，圆形、卵形、正方形、矩形、多边形等)的多个通道190。因此，图2－5是用于图示目的的简化形式，并且旋转式IPX 160的其他实施例可具有与图2－5中所示不同的构造。如下文详细描述的，通过使第一流体第二流体能够在转子166内短暂地彼此接触，旋转式IPX 160有利于在第一流体与第二流体之间的压力交换。在某些实施例中，这种交换以导致第一流体和第二流体的有限混合的速度发生。 [0029] 在图2中，通道开口192处于第一位置。在第一位置，通道开口192与端板184中的孔口198且因此与管汇172流体连通，而相对的通道开口194与端盖186中的孔口202并且通过延伸部与管汇174液压连通。如下文将论述的，转子166可以由箭头204指示的顺时针方向旋转。在操作中，低压第二流体206穿过端盖186并进入通道190，在通道190中，低压第二流体在动态流体交界面210处接触低压第一流体208。第二流体206接着将第一流体208驱动离开通道190、通过端盖184并离开旋转式IPX 160。然而，由于接触持续时间较短，在第二流体206与第一流体208之间存在最小量的混合。如将理解的，第二流体206的压力大于第一流体 208的压力，从而使得第二流体206能够将第一流体208驱动离开通道190。 [0030] 在图3中，通道190已顺时针旋转通过大约90度的弧度。在该位置，出口194不再与端盖186的孔口200和202流体连通，并且开口192不再与端盖184的孔口196和198流体连通。因此，低压第二流体206被暂时地包含在通道190内。 [0031] 在图4中，通道190已从图2中所示位置旋转通过大约180度的弧度。开口194此时与端盖186中的孔口200流体连通，并且通道190的开口192此时与端盖184的孔口196流体连通。在该位置，高压第一流体208进入并加压低压第二流体206，从而将第二流体206驱动离开流体通道190并通过孔口200，以在系统中使用或处置。 [0032] 在图5中，通道190已从图6中所示位置旋转通过大约270度的弧度。在该位置，出口194不再与端盖186的孔口200和202流体连通，并且开口192不再与端盖184的孔口196和198流体连通。因此，第一流体208不再被加压并且被暂时地包含在通道190内，直到转子166旋转另一个90度，从而再次开始循环。 [0033] 图6是旋转式IPX 160的实施例的示意性剖视图。将理解到，图6是旋转式IPX 160的简化视图，并且为了清楚已省略某些细节。在图示实施例中，旋转式IPX 160包括包含套管164(例如，环形套管)的外壳212、转子166、端盖184、186、以及密封件214(例如，环形密封件)和其他部件。如图所示，密封件214可以设置在外壳212与端盖186之间，以基本上阻止第一流体208的流离开外壳212。然而，在图示实施例中，密封件214未围绕端盖184定位。如上文所论述的，高压第一流体208可以通过入口176和孔口196进入旋转式IPX 160，以驱动低压第二流体206离开通道190。结果，转子166和/或端盖184、186可能经受可能导致偏转的压差。 [0034] 在操作中，该压差可以作用在套管164和端盖184、186上。例如，第一压差216可以形成于孔口198附近，从而导致套管164径向向内(例如，朝轴线188)偏转。结果，转子166与套管164之间的径向间隙减小，并且可能增加操作期间转子166与套管164之间的磨损。此外，第二压差218可以形成于端盖184、186和转子166附近。结果，端盖184、186可以轴向向内(例如，朝转子166)偏转，从而减小转子166与端盖184、186之间的轴向间隙。为此，转子166接触端盖184、186的可能性可能由于间隙减小而增加。 [0035] 图7是旋转式IPX 160的实施例的示意性剖视图，其具有沿着套管164和端盖184的偏转点。如上所述，压差216、218可以导致套管164和/或端盖184的偏转。在图示实施例中，套管164包括第一偏转点220(例如，径向偏转)，从而在套管164与转子166之间形成减小的间隙区域222(例如，径向间隙区域)。另外，端盖184包括第二偏转点224(例如，轴向偏转)，从而在端盖184与转子166之间的具有减小的间隙区域226(例如，轴向间隙区域)。结果，在没有所公开的实施例的情况下，转子166可以接触和/或摩擦套管164和/或端盖184。此外，尽管图示实施例包括第一偏转点220和第二偏转点224，但在其他实施例中可以存在更多或更少偏转点。另外，偏转点可以在套管164和/或端盖184、186的整个长度上分布。 [0036] 图8是具有非圆形截面的套管164和转子166的实施例的轴向端视图。非圆形截面可包括椭圆形截面，并可具有在从大于0至小于1的范围内、以及其间的所有范围内的偏心度。如上所述，第一压差216可以使套管164径向向内(例如，朝轴线188)变形。在图示实施例中，套管164为基本上椭圆形的。结果，套管164的侧壁的变形可能不会减小转子166与套管164之间的间隙。例如，转子166的顶部部分和底部部分具有在转子166与套管164之间沿着第一平面241的第一径向间隙228。另外，转子166的左侧和右侧具有在转子166与套管164之间沿着第二平面243的第二径向间隙230。在图示实施例中，第二径向间隙230大于第一径向间隙228。在某些实施例中，在第一径向间隙228与第二径向间隙230之间的尺寸差可以在区域中具体地设计，以考虑套管164的偏转(例如，径向偏转)。换句话讲，沿着第一平面241的径向间隙228和沿着第二平面243的径向间隙230的差值可以针对不同条件变化(例如，变得更小或更大)。另外，第一径向间隙228与第二径向间隙230之间的尺寸差可以大约等于由于第一压差216导致的预期偏转距离。因此，如果第一压差216使套管164的左侧和右侧朝转子 166径向向内变形/偏转，则在偏转之后，第二径向间隙230将基本上近似于第一径向间隙 228。换句话讲，初始的第二径向间隙230可以被特别地选择，以便在第一压差216使套管164偏转后形成围绕转子166的圆周基本上均匀的径向间隙。尽管图示实施例包括在转子166的左侧和右侧上基本上相等的第二径向间隙230，但在其他实施例中，左侧的第二径向间隙 230可以不同于右侧的径向间隙。例如，在某些操作条件下，套管164可能在左侧比在右侧变形更多。结果，左侧的径向间隙可以大于右侧的径向间隙，以适应增加的偏转/变形。 [0037] 图9是具有压力坝232(例如，液压动力特征部、径向内凹特征部)的套管164和转子166的实施例的轴向端视图。压力坝232从套管164的壁突出并且被构造成控制流体在套管 164中的流动。在操作期间，转子166在由流体(例如，第一流体208)围绕的套管164内旋转，该流体充当液压动力轴承(例如，流体轴承)。随着转子166在第一方向234上旋转，流体与转子166一起在第一方向234上类似地旋转。压力坝232被构造成在方向236上将流体朝转子 166重新导向。即，在旋转期间，流体接触压力坝232并且被朝转子166重新导向。另外，在压力坝232下游(例如，沿着第一方向234)的套管的第一部段238中的流体的量小于在距压力坝232大约180度的套管164的第二部段240中的流体的量。结果，由于减小的面积，作用于转子166上的力在第一部段238中较大。因此，套管164的第一部段238可以被定位成使得最大偏转的预期区域在第一部段238中，使得较大的力将驱动转子166远离套管164。因此，由套管164的偏转形成的减小的径向间隙可以通过将转子166朝第二部段240驱动来加以解决。 [0038] 如上所述，第二压差218可以便于端盖184、186的偏转/变形。结果，由于在转子166与端盖184、186之间的轴向间隙减小，转子166接触端盖184、186的可能性增加。图10是具有液压动力特征部242的端盖186的轴向端视图，液压动力特征部242围绕端盖186的面分布。例如，液压动力特征部242可包括在端盖184、186中的翼形凹痕(例如，凹部、凹陷)。然而，在其他实施例中，液压动力特征部242可以是圆形、弧形、椭圆形、矩形或任何其他合适的形状。在图示实施例中，液压动力特征部242分布在端盖186的一部分上。液压动力特征部242被构造成对着转子166施加液压力。例如，在某些实施例中，转子166可具有作用于轴向端上的力，以朝端盖186驱动转子166。液压动力特征部242被构造成对着转子166(例如，轴向地朝向转子166)施加反作用的液压力，以阻止转子166接触端盖186。此外，液压动力特征部 242被构造成随着转子166的旋转速度增加而产生更大的液压力。 [0039] 回到液压动力特征部242，在某些实施例中，液压动力特征部242延伸进入端盖186(例如，凹陷、腔体、凹部、凹痕)中。例如，液压动力特征部可以通过机加工、切削或任何其他合适的制造工艺形成。随着流体进入液压动力特征部242，液压动力特征部242通过将流体流轴向地朝转子166重新导向而生成升力，从而将转子166驱动远离端盖186。在一些实施例中，液压动力特征部242可以径向上设置在孔口200、202的外部或径向上嵌入孔口200、202以内。尽管图示实施例包括翼形特征部242，但在其他实施例中，液压动力特征部242可以是其他形状，诸如弧、正方形等。例如，液压动力特征部242可包括矩形特征部242。在某些实施例中，液压动力特征部242可包括在端盖184、186的轴向面、转子166的轴向面、或它们的组合上的翼形特征部242和矩形特征部242两者。在一些实施例中，在端盖184、186上的液压动力特征部242可以限制为仅翼形特征部242或仅矩形特征部242。 [0040] 图11－14是可以在端盖184、186的面上形成的液压动力特征部242的实施例的剖视图。如图所示，液压动力特征部242凹入端盖186的面中。在图11中，液压动力特征部242包括楔形凹陷(例如，向内会聚的凹部或向内成角度(倾斜)的凹部)。例如，第一侧248被定位成第一角度250，而第二侧252被定位成第二角度254。在某些实施例中，第一角度250等于第二角度254。然而，在其他实施例中，第一角度250和第二角度254可以不相等。另外，在某些实施例中，第一角度250或第二角度254可以为大约90度、大约100度、大约110度、大约120度、大约130度、大约140度、大约150度、或任何其他合适的角度。另外，第一角度250或第二角度254可以在大约90度至大约110度之间、在大约110度至大约130度之间、在大约130度至大约150度之间、或在任何其他合适的范围内。此外，在其他实施例中，第一角度250或第二角度254可以大于大约90度、大于大约100度、大于大约110度、大于大约120度、大于大约130度、大于大约140度、大于大约150度、或任何其他合适的角度。在操作中，第一流体208进入液压动力特征部242并接合第二侧252。结果，第一流体208被朝转子166导向，从而提供将转子166驱动远离端盖184的力。另外，尽管第二侧252被构造成将第一流体208朝转子166驱动，但第二侧252也允许可能进入液压动力特征部242的碎屑逸出。例如，倾斜的第二侧252形成通路，以便截留的碎屑(例如，砂、支撑剂、盐等)离开液压动力特征部242。 [0041] 图15是液压动力特征部242的另一个实施例，其具有基本上圆形和/或弧形的截面(例如，向内弯曲的凹部、凹型凹部、U形凹部)。在图示实施例中，液压动力特征部242具有半径256。如上所述，第一流体208进入液压动力特征部242并通过与液压动力特征部242的远端接触而朝转子166导向。另外，液压动力特征部242的弯曲边缘允许可能进入液压动力特征部242的碎屑逸出液压动力特征部242。图13是液压动力特征部242的另一个实施例。在图示实施例中，第二角度254大约等于90度。然而，第一侧248以大于90度的第一角度250倾斜。例如，第一角度250可以为大约110度、大约120度、大约130度、大约140度、大约150度、或任何其他合适的角度。另外，第一角度250可以在大约90度至大约110度之间、在大约110度至大约130度之间、在大约130度至大约150度之间、或在任何其他合适的范围内。此外，在其他实施例中，第一角度250可以大于大约90度、大于大约100度、大于大约110度、大于大约120度、大于大约130度、大于大约140度、大于大约150度、或为任何其他合适的角度。在操作中，第一流体208进入液压动力特征部242并接合第二侧252。因此，如上所述，进入的流体可以行进到液压动力特征部242中并接合第二侧252，从而将流体朝转子166导向。图14是另一个实施例，其中，第一侧248和第二侧252具有倒圆的边缘，在该边缘处，第一侧248和第二侧 252与液压动力特征部242的底部表面258相遇。另外，端盖184、186和/或转子166可包括沿着相应的轴向面的不同类型的液压动力特征部242。 [0042] 图16是带有液压能量转移系统12的压裂系统10(例如，流体处理系统)的实施例的示意图。在操作中，压裂系统10使得完井操作能够增加岩层中的油气的释放。压裂系统10可包括联接到液压能量转移系统12的一个或多个第一流体泵18和一个或多个第二流体泵20。例如，液压能量系统12可包括液压涡轮增压器、旋转式IPX、往复式IPX、或它们的任何组合。 此外，液压能量转移系统12可以设置在与压裂系统10的其他部件分离的滑车上，这在液压能量转移系统12被添加到现有压裂系统10的情况中可能是所期望的。在操作中，液压能量转移系统12转移压力，且在由第一流体泵18泵送的第一流体(例如，不含支撑剂流体)与由第二流体泵20泵送的第二流体(例如，含支撑剂流体或压裂流体)之间没有任何显著的混合。以这种方式，液压能量转移系统12阻止或限制第一流体泵18(例如，高压泵)上的磨损，同时使得压裂系统10能够将高压压裂流体泵入井14中以释放油气。此外，由于液压能量转移系统12被构造成暴露于第一流体和第二流体，液压能量转移系统12可以由耐受第一流体和第二流体中任一者中的腐蚀性和磨蚀性物质的材料制成。例如，液压能量转移系统12可以由在金属基体(例如，Co、Cr或Ni或它们的任何组合)中的陶瓷(例如，氧化铝、诸如碳化物、氧化物、氮化物或硼化物硬质相之类的金属陶瓷)制成，诸如是CoCr、Ni、NiCr或Co基体中的碳化钨。 |
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