本發(fā)明涉及往復(fù)柱塞和活塞式泵，該往復(fù)柱塞和活塞式泵用于例如油井服務(wù)操作。更具體地說，本發(fā)明涉及用于這種泵的流體端部的改進(jìn)的交聯(lián)孔幾何結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

用于油田行業(yè)的柱塞泵，一般包括動力端部和流體端部。流體端部通常包括：柱塞，該柱塞被布置在柱塞孔中并且借助于動力端部而作往復(fù)運(yùn)動；進(jìn)入孔，該進(jìn)入孔定位成與柱塞孔相對；吸入閥，該吸入閥布置在吸入孔中；以及排出閥，該排出閥布置在排出孔中。在操作中，柱塞在柱塞孔中往復(fù)運(yùn)動，以交替地通過吸入閥將流體吸入該泵并且然后通過排出閥迫使該流體離開該泵。

在泵的操作期間，流體端部受到很高頻率的并且大幅值的壓力脈動。這些壓力脈動在各孔相交處產(chǎn)生大的應(yīng)力集中。在各孔相交形成相對尖銳的邊緣的交聯(lián)孔幾何結(jié)構(gòu)中，這些應(yīng)力集中可能引起在相交處附近在流體端部中形成疲勞破裂。在一些現(xiàn)有技術(shù)泵中，為了使得孔相交處平滑，各孔的相交邊緣被機(jī)加工以具有準(zhǔn)半徑和倒棱特征。雖然以這種方式使各孔相交處平滑化可以在一定程度上減小應(yīng)力集中，但由于孔相交處的當(dāng)前構(gòu)造強(qiáng)加的限制，極度服務(wù)泵的交聯(lián)孔幾何結(jié)構(gòu)還是容易產(chǎn)生過度的應(yīng)力集中。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)本發(fā)明，現(xiàn)有技術(shù)中的這些和其它限制通過提供一種往復(fù)泵被克服，所述往復(fù)泵包括流體端部外殼，所述流體端部外殼具有若干柱塞段，每一個柱塞段包括：柱塞孔，在所述柱塞孔內(nèi)以可滑動的方式容納有柱塞；吸入孔，在所述吸入孔內(nèi)布置有吸入閥；排出孔，在所述排出孔內(nèi)布置有排出閥；以及交聯(lián)孔室，所述交聯(lián)孔室位于所述各孔之間并且被構(gòu)造為回轉(zhuǎn)表面。所述各孔中的每一個孔與交聯(lián)孔室相交從而限定相應(yīng)的交聯(lián)曲線，該相應(yīng)的交聯(lián)曲線在空間上與每一個相鄰的交聯(lián)曲線相分離。以這種方式，交聯(lián)孔室限定單個連續(xù)表面，該單個連續(xù)表面在所有的所述交聯(lián)曲線的周圍和之間延伸。

根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，交聯(lián)孔室被構(gòu)造為橢圓體。在這個實(shí)施例中，所述橢圓體可以包括：第一軸線，所述第一軸線與所述柱塞孔的中心線共軸；以及第二軸線，所述第二軸線與所述吸入孔的中心線和所述排出孔的中心線中的至少一者共軸。可替代地，所述橢圓體可以包括：第一軸線，所述第一軸線與所述柱塞孔的中心線共軸；以及第二軸線，所述第二軸線平行于所述吸入孔的中心線和所述排出孔的中心線中的至少一者、但與所述至少一者錯開。可替代地，所述橢圓體可以包括：第一軸線，所述第一軸線平行于所述柱塞孔的中心線、但與所述柱塞孔的中心線錯開；以及第二軸線，所述第二軸線與所述吸入孔的中心線和所述排出孔的中心線中的至少一者共軸?？商娲兀鰴E圓體可以包括：第一軸線，所述第一軸線平行于所述柱塞孔的中心線、但與所述柱塞孔的中心線錯開；以及第二軸線，所述第二軸線平行于所述吸入孔的中心線和所述排出孔的中心線中的至少一者、但與所述至少一者錯開。

根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，每一個柱塞段還包括進(jìn)入孔，該進(jìn)入孔與交聯(lián)孔室相交從而限定對應(yīng)的交聯(lián)曲線，該對應(yīng)的交聯(lián)曲線在空間上與每一個相鄰的交聯(lián)曲線相分離。以這種方式，交聯(lián)孔室限定單個連續(xù)表面，該單個連續(xù)表面在所有的所述交聯(lián)曲線的周圍和之間延伸。在這個實(shí)施例中，交聯(lián)孔室可以構(gòu)造為橢圓體。此外，進(jìn)入孔可以與柱塞孔大致對齊并且吸入孔可以基本上與排出孔對齊，并且進(jìn)入孔和柱塞孔可以相對于吸入孔和排出孔以大致90度的角度取向。而且，所述橢圓體可以包括：第一軸線，所述第一軸線與所述柱塞孔的中心線共軸；以及第二軸線，所述第二軸線與所述吸入孔的中心線和所述排出孔的中心線中的至少一者共軸?？商娲?，所述橢圓體可以包括：第一軸線，所述第一軸線與所述柱塞孔的中心線共軸；以及第二軸線，所述第二軸線平行于所述吸入孔的中心線和所述排出孔的中心線中的至少一者、但與所述至少一者錯開。可替代地，所述橢圓體可以包括：第一軸線，所述第一軸線平行于所述柱塞孔的中心線、但與所述柱塞孔的中心線錯開；以及第二軸線，所述第二軸線與所述吸入孔的中心線和所述排出孔的中心線中的至少一者共軸?？商娲?，所述橢圓體可以包括：第一軸線，所述第一軸線平行于所述柱塞孔的中心線、但與所述柱塞孔的中心線錯開；以及第二軸線，所述第二軸線平行于所述吸入孔的中心線和所述排出孔的中心線中的至少一者、但與所述至少一者錯開。

根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，柱塞孔、吸入孔和排出孔相對于彼此以近似120度的角度取向。在這個實(shí)施例中，橢圓體可以包括：第一軸線，該第一軸線與柱塞孔的中心線共軸；以及中心點(diǎn)，該中心點(diǎn)位于柱塞孔、吸入孔和排出孔的相交處?？商娲?，所述橢圓體可以包括：第一軸線，所述第一軸線與所述柱塞孔的中心線共軸；以及中心點(diǎn)，所述中心點(diǎn)與所述柱塞孔、所述吸入孔和所述排出孔的相交處錯開?？商娲兀鰴E圓體可以包括：第一軸線，所述第一軸線平行于所述柱塞孔的中心線、但與所述柱塞孔的中心線錯開；以及中心，所述中心位于所述柱塞孔、所述吸入孔和所述排出孔的相交處?？商娲兀鰴E圓體可以包括：第一軸線，所述第一軸線平行于所述柱塞孔的中心線、但與所述柱塞孔的中心線錯開；以及中心，所述中心與所述柱塞孔、所述吸入孔和所述排出孔的相交處錯開。

本發(fā)明也涉及一種減小往復(fù)泵的流體端部外殼中的應(yīng)力集中的方法，所述流體端部外殼具有若干柱塞段，每一個柱塞段包括：柱塞孔，在所述柱塞孔內(nèi)以可滑動的方式容納有柱塞；吸入孔，在所述吸入孔內(nèi)布置有吸入閥；以及排出孔，在所述排出孔內(nèi)布置有排出閥。該方法包括在所述各孔之間形成交聯(lián)孔室，所述交聯(lián)孔室被構(gòu)造為回轉(zhuǎn)表面，其中，所述各孔中的每一個孔與交聯(lián)孔室相交從而限定相應(yīng)的交聯(lián)曲線，該相應(yīng)的交聯(lián)曲線在空間上與每一個相鄰的交聯(lián)曲線相分離。以這種方式，交聯(lián)孔室限定單個連續(xù)表面，該單個連續(xù)表面在所有的所述交聯(lián)曲線的周圍和之間延伸。根據(jù)這個實(shí)施例的一個方面，交聯(lián)孔室可以被構(gòu)造為球體。

因此，根據(jù)本發(fā)明，通過在柱塞孔、吸入孔、排出孔和(如果存在)進(jìn)入孔的相交處產(chǎn)生交聯(lián)孔室，獲得改進(jìn)的交聯(lián)孔幾何結(jié)構(gòu)。交聯(lián)孔室被構(gòu)造為回轉(zhuǎn)表面，該回轉(zhuǎn)表面通過繞參考軸線旋轉(zhuǎn)二維曲線而產(chǎn)生。例如，交聯(lián)孔室可以被構(gòu)造為橢圓體，其特例是球體。通過將交聯(lián)孔室構(gòu)造為諸如橢圓體的回轉(zhuǎn)表面，交聯(lián)孔室提供該孔之間的單個平滑的連續(xù)連接表面。結(jié)果，交聯(lián)孔幾何結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力集中顯著減小，并且流體端部因此不太容易產(chǎn)生故障。

參考附圖，根據(jù)以下詳細(xì)描述，本發(fā)明的這些和其它目標(biāo)和優(yōu)點(diǎn)將變得顯明。在圖中，相同的附圖標(biāo)記用于表示各種實(shí)施例中的相似部件。

附圖說明

圖1是其中可以包括本發(fā)明的交聯(lián)孔幾何結(jié)構(gòu)的現(xiàn)有技術(shù)柱塞泵的立體部分剖視圖；

圖2是圖1中示出的柱塞泵的流體端部的剖視圖；

圖3是類似于圖2的剖視圖，但流體端部的內(nèi)部部件為了清楚起見被移除；

圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的交聯(lián)孔幾何結(jié)構(gòu)的示意圖；

圖5是具有說明性交聯(lián)孔幾何結(jié)構(gòu)的本發(fā)明的流體端部的實(shí)施例的立體剖視圖；

圖6是圖5中示出的流體端部的剖視圖；

圖7-9是具有不同的說明性交聯(lián)孔幾何結(jié)構(gòu)的流體端部的另一些實(shí)施例的剖視圖；而

圖10是流體端部的另一實(shí)施例的剖視圖，該實(shí)施例中可以包括本發(fā)明的交聯(lián)孔幾何結(jié)構(gòu)。

具體實(shí)施方式

其中可以包括本發(fā)明的交聯(lián)孔幾何結(jié)構(gòu)的現(xiàn)有技術(shù)柱塞泵的例子在圖1中被示出。如在通過引用特此并入這里的美國專利No.7610847中更充分地描述的那樣，柱塞泵10包括動力端部12和流體端部14。動力端部12包括齒輪減速器組件16，該齒輪減速器組件由合適的馬達(dá)(未示出)驅(qū)動。齒輪減速器組件16驅(qū)動曲軸18。曲軸18以可旋轉(zhuǎn)的方式連接到連桿20的一個端部，該連桿的相對端部以可樞轉(zhuǎn)的方式連接到交聯(lián)頭部22，該交聯(lián)頭部在對應(yīng)的引導(dǎo)孔24中被支承用來進(jìn)行直線移動。流體端部14包括若干柱塞26(僅僅一個柱塞在圖1中被示出)，每一個柱塞以可滑動的方式被安裝在相應(yīng)的柱塞孔28中并且通過柱塞桿30連接到相應(yīng)的交聯(lián)頭部22。在操作中，曲軸18的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動由連桿20轉(zhuǎn)化為交聯(lián)頭部22的直線往復(fù)運(yùn)動，而該直線往復(fù)運(yùn)動使柱塞26在柱塞孔28中往復(fù)運(yùn)動。

流體端部14包括側(cè)向延伸的外殼32，該側(cè)向延伸的外殼具有若干柱塞段(在這個情況中是五個)，所述柱塞段各與對應(yīng)的柱塞26對齊。中間柱塞段在圖2和3中被更詳細(xì)地示出。除了下述情況，中間柱塞段類似于其余柱塞段。如通過引用特此并入這里的美國專利No.7681589中更充分地描述的那樣，中間柱塞段包括交聯(lián)孔布置，該交聯(lián)孔布置包括：柱塞孔28；進(jìn)入孔34，該進(jìn)入孔與柱塞孔大致對齊；吸入孔36，該吸入孔大致垂直于柱塞孔；以及排出孔38，該排出孔與吸入孔大致對齊。

柱塞26被布置在柱塞孔28中并且通過例如環(huán)形密封墊40與之相密封，該環(huán)形密封墊在圖2中示出的實(shí)施例中被安裝在填塞盒42中，該填塞盒通過若干帽螺釘44被固定到外殼32。進(jìn)入孔34被塞子46密封，該塞子通過第一保持螺母48被固定到外殼32。吸入閥50布置在吸入孔36中，在柱塞孔28和入口端口52之間。排出閥54布置在排出孔38中，在柱塞孔28和壓力旋塞配件56之間，該壓力旋塞配件通過第二保持螺母58被固定在排出孔中。其余孔裝置的排出孔38被類似于塞子48(圖2)的塞子60(圖1)密封，并且所有的排出孔通過側(cè)向孔62流體地連接到出口聯(lián)接器63(圖1)。以這種方式，被泵送過數(shù)個柱塞段的所有流體將被引過側(cè)向孔62并且通過出口聯(lián)接器63離開泵送單元10。

如圖1中所示，數(shù)個柱塞段的入口端口52連接到具有泵入口66的入口歧管64，該泵入口可連接到例如井服務(wù)流體的源(未示出)。在柱塞泵10的操作中，柱塞26借助于動力端部12以上文中描述的方式進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動。在每一個柱塞26的吸入行程期間，吸入閥50被迫打開并且流體被吸過吸入孔36且進(jìn)入柱塞孔28。在每一個柱塞26的排出行程期間，吸入閥50被迫關(guān)閉并且柱塞孔28中的流體被迫通過排出閥54和出口聯(lián)接器63。吸入閥50和排出閥的操作的另外細(xì)節(jié)可以在前述美國專利No.7681589中找到。

每一個柱塞段的交聯(lián)孔布置在圖3中被更清楚地示出，圖3類似于圖2，但柱塞段的內(nèi)部部件為了清楚起見而被移除。如圖3中所示，柱塞孔28和進(jìn)入孔34包括沿軸線X共軸的相應(yīng)的中心線C_P和C_A，并且吸入孔36和排出孔38包括沿軸線Z共軸的相應(yīng)的中心線C_S和C_D，該軸線Z垂直于軸線X。在流體端部14的這個實(shí)施例中，吸入孔36沿第一曲線68與柱塞孔28相交，并且排出孔38沿第二曲線70與柱塞孔相交。如在圖3中可以見到的那樣，曲線68、70限定相交的各孔之間的相對尖銳的邊緣。

在泵10的操作期間，流體端部14經(jīng)受很高頻率且大幅值的壓力脈動。這些壓力脈動在各孔相交處產(chǎn)生大的應(yīng)力集中。在各孔相交形成相對尖銳的邊緣的交聯(lián)孔幾何結(jié)構(gòu)中，這些應(yīng)力集中可能引起在相交處附近在外殼中形成疲勞破裂。傳統(tǒng)上，準(zhǔn)半徑和倒棱已經(jīng)使用手工工具被應(yīng)用于該孔相交處以獲得一些平滑外表。隨著機(jī)器人和多軸線機(jī)器的出現(xiàn)，這些特征可以以編程的方式被機(jī)加工。雖然以這種方式使孔相交處平滑化可以在一定程度上減小應(yīng)力集中，但由于孔相交處的當(dāng)前構(gòu)造強(qiáng)加的限制，極度服務(wù)泵送單元的交聯(lián)孔幾何結(jié)構(gòu)仍然容易產(chǎn)生過度的應(yīng)力集中。

根據(jù)本發(fā)明，已經(jīng)開發(fā)改進(jìn)的交聯(lián)孔幾何結(jié)構(gòu)，該改進(jìn)的交聯(lián)孔幾何結(jié)構(gòu)大大減小應(yīng)力集中，該應(yīng)力集中可以導(dǎo)致流體端部中的疲勞破裂，該疲勞破裂源于孔相交處并且從孔相交處傳播。改進(jìn)的交聯(lián)孔幾何結(jié)構(gòu)通過在柱塞孔、進(jìn)入孔、吸入孔和排出孔的相交處產(chǎn)生交聯(lián)孔室被獲得。交聯(lián)孔室的特性將參考圖4中示出的示意圖被描述?？傮w上以72表示的交聯(lián)孔室被構(gòu)造為回轉(zhuǎn)表面，該回轉(zhuǎn)表面通過繞X、Y或Z軸線中的一條軸線使二維曲線74旋轉(zhuǎn)而形成。在這一點(diǎn)上，X、Y和Z軸線被定義為回轉(zhuǎn)表面的參考軸線。雖然在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，X軸線可以與柱塞孔中心線C_P和進(jìn)入孔中心線C_A中的一條或兩條中心線共軸，并且Z軸線可以與吸入孔中心線C_S和排出孔中心線C_D中的一條或兩條中心線共軸，但這些軸線并非必須與任何孔中心線對齊。

二維曲線74可以具有任何實(shí)際構(gòu)造，只要它包括的直徑大于柱塞孔28、進(jìn)入孔34、吸入孔36以及排出孔38中的最大者的直徑。在圖4中示出的本發(fā)明的具體實(shí)施例中，曲線74是橢圓，該橢圓以X、Y和Z軸線的原點(diǎn)O為中心。因此，限定交聯(lián)孔室72的回轉(zhuǎn)表面具有橢圓體的總體形狀，該橢圓體以原點(diǎn)O為中心并且通過繞X軸線旋轉(zhuǎn)橢圓74而產(chǎn)生。然而，在本發(fā)明的情況中，該橢圓體可以具有由以下標(biāo)準(zhǔn)方程限定的任何構(gòu)造：

x²/a²+y²/b²+z²/c²＝1，

其中a、b和c是橢圓體的半主軸線的相應(yīng)的長度。例如，通過使a＝b＝c，可以將交聯(lián)孔室72構(gòu)造為球體。

仍然參考圖4，柱塞孔28、進(jìn)入孔34、吸入孔36和排出孔38中的每一者與交聯(lián)孔室72的相交限定相應(yīng)的交聯(lián)曲線28a、34a、36a和38a。每一個交聯(lián)曲線的特別形狀將當(dāng)然地取決于限定交聯(lián)孔室72的回轉(zhuǎn)表面的形狀。如在圖4中可以看到的，通過將交聯(lián)孔室72構(gòu)造為諸如橢圓體的回轉(zhuǎn)表面，交聯(lián)孔室在各條交聯(lián)曲線中的每一條曲線之間提供單個平滑的連續(xù)連接表面。這個單個平滑的連續(xù)連接表面通過以下事實(shí)而產(chǎn)生：柱塞孔28、進(jìn)入孔34、吸入孔36和排出孔38與交聯(lián)孔室相交72而不是彼此相交。因此，在本發(fā)明中，由例如排出孔與柱塞孔的相交形成的尖銳的邊緣被消除。作為取代，由交聯(lián)孔室72形成的平滑的連續(xù)連接表面在交聯(lián)曲線28a、34a、36a和38a周圍和之間延伸。結(jié)果，交聯(lián)孔幾何結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力集中顯著減小，并且流體端部因此不易形成疲勞破裂。

參考圖5和6，其中示出本發(fā)明的一個實(shí)施例，其中，交聯(lián)孔室72包括球形構(gòu)造。在這個實(shí)施例中，柱塞孔中心線C_P和進(jìn)入孔中心線C_A與X軸線共軸，并且吸入孔中心線C_S和排出孔中心線C_D與Z軸線共軸。如特別地在圖5中可以看到的，交聯(lián)孔室72的球形構(gòu)造在交聯(lián)曲線28a、34a、36a和38a之間和周圍形成單個平滑的連續(xù)連接表面76。在這個實(shí)施例中，具有最大直徑的孔是吸入孔36，并且限定交聯(lián)孔室72的球體所包括的直徑大于吸入孔的直徑。在此，如在本發(fā)明的這個實(shí)施例以及另一些實(shí)施例中，用于形成交聯(lián)孔室72的回轉(zhuǎn)表面的形狀和尺寸可以為特別的交聯(lián)孔幾何結(jié)構(gòu)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)而確定，以便為流體端部提供希望的應(yīng)力和流動特性。

在圖7-9中示出本發(fā)明的交聯(lián)孔幾何結(jié)構(gòu)的另一些說明性和非限制性實(shí)施例。圖7中示出的交聯(lián)孔幾何結(jié)構(gòu)類似于圖6中示出的交聯(lián)孔幾何結(jié)構(gòu)。然而，在圖7中示出的實(shí)施例中，X軸線與柱塞孔中心線C_P和進(jìn)入孔中心線C_A錯開(偏位)，所述柱塞孔中心線和進(jìn)入孔中心線在這個情況中是共軸的。在這個例子(其中交聯(lián)孔室72由具有8.50"的直徑的球體限定)中，X軸線沿Z方向從柱塞孔中心線C_P向著吸入孔36偏移0.50"。

在圖8中示出的交聯(lián)孔幾何結(jié)構(gòu)的實(shí)施例中，X軸線與柱塞孔中心線C_P和進(jìn)入孔中心線C_A共軸，但Z軸線與吸入孔中心線C_S和排出孔中心線C_D錯開，所述吸入孔中心線和排出孔中心線在這個情況中是共軸的。在這個例子(其中交聯(lián)孔室72由具有8.50"的直徑的球體限定)中，Z軸線沿X方向從排出孔中心線C_D向著進(jìn)入孔34偏移0.20"。

在圖9中示出的交聯(lián)孔幾何結(jié)構(gòu)的實(shí)施例中，X軸線與柱塞孔中心線C_P和進(jìn)入孔中心線C_A錯開，所述柱塞孔中心線和進(jìn)入孔中心線在這個情況中是共軸的，并且Z軸線與吸入孔中心線C_S和排出孔中心線C_D錯開，所述吸入孔中心線和排出孔中心線在這個情況中也是共軸的。在這個例子(其中交聯(lián)孔室72由具有8.50"的直徑的球體限定)中，X軸線沿Z方向從柱塞孔中心線C_P向著吸入孔36偏移0.50"，并且Z軸線沿X方向從排出孔中心線C_D向著進(jìn)入孔34偏移0.20"。

在圖10中示出了流體端部的另一例子，其中可以包括本發(fā)明的交聯(lián)孔幾何結(jié)構(gòu)。這個實(shí)施例的流體端部(總體上為14')在美國專利No.8147227中有更充分的描述，該美國專利通過引用特此并入這里。如圖10中所示，流體端部14'包括Y形交聯(lián)孔布置，其中，進(jìn)入孔被省略，并且柱塞孔26、吸入孔36和排出孔38彼此近似120°地取向。

根據(jù)本發(fā)明，交聯(lián)孔室(未示出)可以被機(jī)加工到流體端部中以提供上述優(yōu)點(diǎn)。如在前述實(shí)施例中，交聯(lián)孔室可以包括諸如橢圓體的回轉(zhuǎn)表面，該回轉(zhuǎn)表面以X、Y和Z參考軸線的原點(diǎn)O為中心。此外，X軸線可以與柱塞孔中心線C_P對齊或與柱塞孔中心線C_P錯開，并且參考軸線的原點(diǎn)O可以位于柱塞孔中心線C_P、吸入孔中心線C_S和排出孔中心線C_D的相交處或與該相交處錯開。

應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，雖然已經(jīng)參考了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而對本發(fā)明做了描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員可以開發(fā)出不偏離本發(fā)明的原理的很多種結(jié)構(gòu)和操作細(xì)節(jié)。因此，所附權(quán)利要求將被解釋用來涵蓋落在本發(fā)明的真實(shí)范圍和精神內(nèi)的所有等同內(nèi)容。