工艺流体润滑泵和海水喷射系统
技术领域
本发明涉及一种用于输送工艺流体的工艺流体润滑泵，并且涉及一种根据相应类别的独立权利要求的前序部分所述的具有这种泵的海水喷射系统。
背景技术
用于输送工艺流体的工艺流体润滑泵已在许多不同的行业中使用。一个重要的示例是油气加工行业，其中工艺流体润滑泵被设计为例如用于输送烃流体的多相泵，例如用于从油田中提取原油或用于通过管道或在炼油厂内进行油/气运输。工艺流体润滑泵在油气行业中的另一个应用是将工艺流体（大多数情况下是水，并且尤其是海水）喷射到油储层中。对于此类应用，所述泵被设计为水喷射泵，其将高压下的海水供应到通向油储层的地下区域的井。这种水喷射泵产生的压力增加的典型值为200-300 bar（20-30 MPa）或甚至更高。
向油储层中的水喷射是增加从油气田中烃的采收率的众所周知的方法。喷射的水维持或增加油储层中的压力，从而驱使油或烃流向和离开生产井。
在某些应用中，将未经处理的海水喷射到油储层中。然而，在许多应用中，对海水进行预处理以避免对油储层的负面影响，诸如通过例如硫化氢（H2S）使油酸化，或通过例如硫酸盐堵塞油储层中的孔隙或小通道。为了达到期望的海水质量，海水会通过一系列不断细化的过滤器，从而对海水进行微过滤。另外，可以使用生物或电化学过程来预处理海水。通常，过滤的最后步骤是纳滤（nanofiltration），特别是从海水中去除硫酸盐。纳滤是一种膜过滤工艺，需要以通常为25-50 bar（2.5-5.0 MPa）的压力向膜单元供水。特别是对于反渗透过滤，所需的压力甚至可能更高。在纳滤工艺之后，海水被供应到水喷射泵，被加压并喷射到油储层所在的地下区域中。因此，对海水进行预处理并将其喷射到油储层中通常需要两个泵，即用于向膜过滤单元供应海水的膜馈送泵和用于将过滤后的海水供应到井以将海水引入到油储层中的水喷射泵。
鉴于对油气田的有效开发，如今对泵且尤其是水喷射泵的需求不断增长，这些泵可以直接安装在海底，特别是在水面以下达100 m、达500 m或甚至达超过1000 m的深度处。不用说，此类泵的设计具有挑战性，特别是因为这些泵应在困难的海底环境中长时间运行，并尽可能少地进行维护和保养工作。这就需要采取特殊的措施来最小化所涉及的设备数量并优化泵的可靠性。鉴于水喷射泵部署在海底以及对海水进行预处理，如果海水喷射系统的安装深度足以使环境水压力足以馈送膜过滤单元，则可以省去膜馈送泵。例如，在水面以下500 m处，海水的静水压力已经为约50 bar，该压力可足够高来馈送膜过滤单元。
WO 2014/206919公开了一种海底海水过滤和处理系统，其具有将海水供应到硫酸盐去除单元（膜单元）的馈送泵和水喷射泵两者。为了最小化设备数量，WO 2014/206919建议使用由共同的马达驱动的两个不同的泵级，其中一个泵级用作馈送泵，以将海水供应给硫酸盐去除单元，并且另一个泵级用作水喷射泵。
不用说，对于海底上的海底安装而言，泵的可靠性以及最小化泵内的磨损和劣化至关重要。
发明内容
因此，本发明的目的是提出一种改进的或替代的工艺流体润滑泵，该泵特别适合于海底应用和部署在海底上。该泵在设备方面应具有较低的复杂性、较低的磨损和较高的运行可靠性。具体地，该泵应该适于被配置为用于将海水喷射到地下区域中的水喷射泵。另外，本发明的目的是提出一种包括这种泵的海水喷射系统。
满足这些目的的本发明的主题的特征在于相应的独立权利要求的特征。
因此，根据本发明，提出了一种用于输送工艺流体的工艺流体润滑泵，其具有公共壳体、布置在公共壳体中的泵单元和布置在公共壳体中的驱动单元，其中，公共壳体包括用于工艺流体的低压入口和高压出口。泵单元包括泵轴，泵轴从泵轴的驱动端延伸到非驱动端并且被配置为绕轴向方向旋转。泵单元还包括第一泵节段，第一泵节段具有固定地安装在泵轴上并且被配置为增加工艺流体的压力的第一组叶轮。驱动单元被配置为在泵轴的驱动端上施加扭矩以驱动泵轴的旋转。第一平衡鼓在泵单元和泵轴的驱动端之间固定地连接到泵轴，第一平衡鼓限定面向泵单元的第一前侧和第一后侧。第一泄压通道设置在第一平衡鼓和被配置为相对于公共壳体静止的第一静止部件之间，第一泄压通道从第一前侧延伸到第一后侧。第二平衡鼓在泵单元和泵轴的非驱动端之间固定地连接到泵轴，第二平衡鼓限定面向泵单元的第二前侧和第二后侧。第二泄压通道设置在第二平衡鼓和被配置为相对于公共壳体静止的第二静止部件之间，第二泄压通道从第二前侧延伸到第二后侧。设置连接第一后侧和第二后侧的平衡管线。
通过在泵轴的两端设置平衡鼓，即邻近泵轴的驱动端的第一平衡鼓和邻近泵轴的非驱动端的第二平衡鼓，可大大提高转子的动态性。转子包括泵单元的所有旋转部件（即泵轴）、固定到泵轴的所有叶轮和平衡鼓。具体地，提高的转子动态性是由增加的转子稳定性导致的。每个平衡鼓都有助于转子的稳定性并增强转子的稳定性。转子稳定性的提高大大降低了磨损的风险，特别是在支撑泵轴的轴承单元中。另外，提高的转子动态性还提高了可靠性并减少了故障的可能性。
在许多应用中，特别是在海底应用中，泵被配置为立式泵，即，其中泵轴在重力方向上延伸。另外，立式泵通常设计成将驱动单元布置在泵单元的顶部上。特别是在这种配置中，现有技术中已知的泵可在转子稳定性方面存在问题。泵轴可能会发生振动，并且泵轴可能会旋转。具体地，泵轴的这种旋转对于轴承单元是有害的，并且可能导致磨损大大增加和轴承单元的过早失效或损坏。
根据本发明提供的两个平衡鼓大大提高了转子的稳定性，并且至少大大降低了泵轴的旋转，特别是在驱动单元布置在泵单元顶部上的立式泵中。
根据本发明的工艺润滑泵特别适合作为用于将海水喷射到地下区域中的水喷射泵。在此类应用中，工艺流体是海水。泵可以从过滤单元或硫酸盐去除单元接收过滤后的海水，该过滤单元或硫酸盐去除单元的出口连接到泵的低压入口。泵单元的第一组叶轮增加海水的压力，并通过高压出口排放加压的水。高压出口可以与通向地下油储层的井流体连通。因此，泵将加压的水通过井喷射到油储层中。
例如，根据安装泵的水面以下的深度，海水的静水压力可足以馈送膜过滤单元（例如硫酸盐去除单元（SRU））。如果泵是例如安装在水面以下500 m的深度处，则海水的静水压力为50 bar（5.0 MPa），该静水压力在许多应用中足以为膜过滤单元供水。海水首先经过提供微过滤的一个过滤单元或一系列过滤单元。然后将过滤后的海水提供给膜过滤单元进行最终过滤过程，以达到所需的海水质量或纯度。膜过滤单元可对海水进行纳滤。膜过滤单元的渗透物出口接收贫化或净化的海水，例如去除了硫酸盐的海水。纳滤的海水从渗透物出口供应到泵的低压入口。第一泵节段增加了海水的压力，例如增加了200-300 bar（20-30MPa），并通过高压出口排放加压的海水。高压出口与井等流体连通，以将净化的海水喷射到油储层所在的地下区域中。
在其它应用中，例如当将泵安装在浅水中时，例如在水面以下200 m的深度处，可需要馈送泵，或者馈送泵可有利于将海水供应到膜过滤单元。特别是对于这些应用，优选的实施例是，泵单元还包括第二泵节段，该第二泵节段具有固定地安装在泵轴上并且被配置为增加工艺流体的压力的第二组叶轮。第一泵节段和第二泵节段相对于轴向方向彼此相邻布置。节流装置布置在第一泵节段和第二泵节段之间，以允许工艺流体从第一泵节段泄漏到第二泵节段。公共壳体还包括用于工艺流体的增大的压力出口和增大的压力入口。第二泵节段被配置为从低压入口接收工艺流体并通过增大的压力出口排出工艺流体，而第一泵节段被配置为从增大的压力入口接收工艺流体并通过高压出口排出工艺流体。
根据该实施例，两个泵节段设置在同一泵轴上，从而构成“二合一”泵。第二泵节段可以用作用于向膜过滤单元提供海水的馈送泵，并且第一泵节段可以用作水喷射泵，用于从膜过滤单元接收过滤后的海水并将加压的海水喷射到油储层中。根据优选的设计，泵的低压入口连接至微过滤单元的出口以接收来自微过滤单元的过滤后的海水。第二泵节段增加海水的压力，例如增加20-50 bar（2-5 MPa）或其它任何适合将海水供应到膜过滤单元的值。第二泵节段通过增大的压力出口排出加压的海水，增大的压力出口与膜过滤单元的入口流体连通。接收纳滤的海水的膜过滤单元的渗透管线与泵的增大的压力入口流体连通，以将纳滤的海水供应到第一泵节段。第一泵节段增加海水的压力，例如增加了200-300 bar（20-30 MPa）或任何其它适合水喷射的值，并且通过高压出口排出加压的海水。高压出口与井等流体连通，以将净化的海水喷射到油储层所在的地下区域中。
将第一泵节段和第二泵节段设置在同一泵轴上大大减少了所需的设备，因为只有一个泵，其中两个泵节段布置在同一泵轴上并由同一驱动单元驱动，而不是两个单独的泵，其中每个泵包括单独的驱动器。这种配置大大降低了整个系统（例如海底海水喷射系统）的复杂性以及成本、质量、风险（例如，故障风险）和系统占地面积。
当将第二泵节段用作膜过滤单元的馈送泵时，泵的工艺流体润滑具有额外的优势，即不会有被化学品或任何其它对膜有害的物质污染膜过滤单元的膜的风险。由于馈送泵（即布置在膜过滤单元上游的第二泵节段）仅由工艺流体（即海水）润滑，因此没有任何化学品（诸如润滑油等）进入膜过滤单元的风险。因此，防止了通常易受化学品劣化的膜免受污染。
布置在第一泵节段和第二泵节段之间的节流装置可以被配置为产生作用在泵轴上的附加推力。例如，节流装置可包括附加的平衡鼓或固定地连接到泵轴的中心衬套或节流套筒（也称为节流衬套），以及分别围绕平衡鼓或中心衬套或节流套筒的环形节流间隙。根据其它实施例，节流装置可以被配置为使得其不产生作用在泵轴上的附加推力。例如，节流装置可以包括环形节流间隙，该节流间隙直接邻近泵轴布置并且围绕泵轴。
根据优选的设计，第一前侧和第二前侧中的一个与高压出口流体连通。因此，由第一平衡鼓限定的第一前侧或由第二平衡鼓限定的第二前侧暴露于由第一泵节段产生的高压。因此，高压出口处的压力与低压入口处的压力之间的工艺流体的整个压力差可用于两个平衡鼓上的压降。
根据特别优选的实施例，泵被设计为不具有机械密封件的无密封泵。机械密封件通常用于密封泵的旋转轴，并应防止工艺流体沿泵的轴泄漏。通常，机械密封件包括定子和转子。转子与泵的轴以抗扭的方式连接，并且定子相对于泵壳体固定，使得定子被固定以防止旋转。在轴旋转期间，转子与定子滑动接触，从而执行密封作用。尽管这样的机械密封件在离心泵技术中广泛使用，但是它们在海底应用中还是有些问题，因为它们非常复杂并且通常需要附加设备，这通常被认为是海底应用的缺点。因此，优选地，根据本发明的泵被设计为无密封泵，即，没有机械密封件的泵。在许多应用中，这要求泵单元和驱动单元充满工艺流体。无密封泵的优点是泵的设计更简单。另外，工艺流体本身可以用于冷却和润滑泵的组件，例如泵轴的轴承单元和泵的驱动单元。
根据优选的配置，泵包括用于支撑泵轴的第一泵轴承单元和第二泵轴承单元，其中，第一泵轴承单元布置在第一平衡鼓和驱动单元之间，并且被配置为接收通过第一泄压通道或通过平衡管线的工艺流体，并且其中，第二泵轴承单元布置在第二平衡鼓和非驱动端之间或布置在非驱动端处，并且被配置为接收通过平衡管线或通过第二泄压通道的工艺流体。在一些实施例中，在驱动端处的第一轴承单元被配置为径向和轴向地支撑泵轴，并且在泵轴的非驱动端处的第二轴承单元被配置为径向地支撑泵轴。
根据优选的设计，驱动单元包括驱动轴、被配置为使驱动轴绕轴向方向旋转的电动马达、用于支撑驱动轴的第一马达轴承单元和第二马达轴承单元，其中，驱动轴连接至泵轴的驱动端，其中，电动马达布置在第一马达轴承单元和第二马达轴承单元之间，并且其中，驱动单元被配置为从第一泵轴承单元接收工艺流体，以至少润滑第一马达轴承单元和第二马达轴承单元。
特别是对于这种设计，优选地，平衡管线被布置和配置为接收从驱动单元排出的工艺流体。因此，例如沿着第一平衡鼓穿过第一泄压通道到达第一平衡鼓所限定的第一后侧的工艺流体被引导至第一泵轴承单元，经过第一泵轴承单元，然后被引导通过驱动单元，并且随后进入平衡管线。
根据另一优选实施例，泵具有外部冷却回路，该外部冷却回路用于借助于工艺流体来冷却和润滑马达轴承单元和泵轴承单元。外部冷却回路包括用于冷却工艺流体的热交换器，其中，热交换器布置在公共壳体的外部，并且被配置为从驱动单元接收工艺流体并将工艺流体供应到马达轴承单元和/或泵轴承单元。
为了使工艺流体流过外部冷却回路，可以设置一个循环叶轮或多个循环叶轮。用于外部冷却回路的循环叶轮优选地通过驱动单元旋转并且可以布置在驱动单元的顶部上。驱动单元驱动循环叶轮，循环叶轮使工艺流体循环通过热交换器和轴承单元。热交换器可以被配置为围绕泵的公共壳体的盘管（coil）。
根据用于冷却和润滑的另一种设计，泵单元包括连接到冷却回路的中间出口，其中，中间出口被配置为以比低压入口处的工艺流体的压力大更的压力将工艺流体供应到冷却回路，并且其中，冷却回路被配置为将工艺流体供应到马达轴承单元和/或泵轴承单元。因此，借助于中间出口从泵单元本身获得用于使工艺流体循环通过马达和泵轴承单元的压力。
对于具有第一泵节段和第二泵节段的实施例，优选的配置是，相对于轴向方向，将增大的压力入口布置在高压出口和增大的压力出口之间，并且低压入口布置在增大的压力入口和增大的压力出口之间。这是确保通过节流装置的工艺流体的流动从第一泵节段引导到第二泵节段的一种可能的措施。
在一些实施例中，第一组叶轮包括与第二组叶轮不同数量的叶轮，尤其是包括数量更多的叶轮。当第一泵节段用作水喷射泵并且第二泵节段用作馈送泵时，该措施是特别优选的。
根据优选的设计，第一组叶轮和第二组叶轮以背对背布置进行设置，使得由第一组叶轮产生的轴向推力与第二组叶轮产生的轴向推力指向相反。这种背对背设计至少部分补偿了分别由第一组叶轮和第二组叶轮产生的轴向推力。
根据优选的应用，泵被配置为安装在海底上。
根据优选实施例，泵被配置为用于将海水喷射到地下区域中的水喷射泵。
另外，根据本发明，提出了一种海水喷射系统，其包括用于过滤海水的膜过滤单元和用于将海水喷射到地下区域中的工艺流体润滑泵，其中，根据本发明设计的工艺流体润滑泵具有第一泵节段。工艺流体优选是海水。泵的低压入口连接到膜过滤单元的出口以接收过滤后的海水，并且泵的高压出口与井流体连通，以将海水喷射到地下区域中。
此外，根据本发明，提出了一种海水喷射系统，其包括用于过滤海水的膜过滤单元和用于将海水喷射到地下区域中的工艺流体润滑泵，其中，根据本发明设计的工艺流体润滑泵具有第一泵节段和第二泵节段。工艺流体优选是海水。泵的低压入口被配置为接收海水。增大的压力出口连接到膜过滤单元的入口以将海水供应到膜过滤单元。泵的增大的压力入口连接到膜过滤单元的出口，以接收过滤后的海水。泵的高压出口与井流体连通，以将海水喷射到地下区域中。
优选地，海水喷射系统被配置为部署在海底上。海水喷射系统可以安装在水面以下100 m、500 m甚至超过1000 m的深度处。
根据从属权利要求，本发明的另外的有利措施和实施例将变得显而易见。
附图说明
在下文中将参考本发明的实施例并参考附图来更详细地解释本发明。以示意图形式示出：
图1：根据本发明的工艺流体润滑泵的第一实施例的示意性横截面视图，
图2：驱动单元的实施例的示意图，
图3：用于示出外部冷却回路的实施例的示意图，
图4：具有冷却回路的另一实施例的第一实施例的示意性横截面视图，
图5：根据本发明的工艺流体润滑泵的第二实施例的示意性横截面视图，
图6：根据本发明的工艺流体润滑泵的第三实施例的示意性横截面视图，
图7：节流装置的第一变型的示意性横截面视图，
图8：节流装置的第二变型的示意性横截面视图，
图9：根据本发明的工艺流体润滑泵的第四实施例的示意性横截面视图，
图10-12：根据本发明的工艺流体润滑泵的第三实施例和第四实施例的不同变型的示意性截面图，
图13：根据本发明的海水喷射系统的第一实施例的示意图，以及
图14：根据本发明的海水喷射系统的第二实施例的示意图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的工艺流体润滑泵的第一实施例的示意性横截面视图，所述工艺流体润滑泵作为一个整体以附图标记1表示。泵1被设计为用于输送工艺流体的离心泵，并且具有公共壳体2、泵单元3和驱动单元4。泵单元3和驱动单元4两者均布置在公共壳体2内。公共壳体2被设计为压力壳体，其能够承受由泵1产生的压力以及由环境施加在泵1上的压力。公共壳体2可以包括几个壳体部分，例如泵壳体和驱动壳体，所述泵壳体和驱动壳体彼此连接以形成围绕泵单元3和驱动单元4的公共壳体2。
在下面的描述中，通过示例的方式参考重要的应用，其中，工艺流体润滑泵1被设计为并适于用作油气行业中的海底水喷射泵1，特别是用于将水喷射到地下油和/或气储层中，以增加从地下区域的烃的采收率。通过将水喷射到储层中，烃被迫流向和流出生产井。因此，由泵1输送的工艺流体是水，并且尤其是海水。工艺流体润滑泵1具体被配置为安装在海底上，即用在水面下，特别是海的水面下达100 m、500 m或甚至超过1000 m的深度处。
不用说，本发明不限于该特定示例，而是总体上涉及工艺流体润滑泵。本发明可以用于许多不同的应用，特别是用于将泵1安装在难以接近的位置的此类应用。优选地，根据本发明的泵1被设计为水喷射泵。即使是优选的，泵1也不一定被配置为部署在海底上或被配置用于海底应用，而是也可以被配置用于顶侧应用，例如用于岸上或油平台上的安装，尤其是无人平台上的安装。另外，根据本发明的泵1还可以用于油气行业之外的应用。
术语“工艺流体润滑泵”是指泵，其中由泵1输送的工艺流体用于润滑和冷却泵的组件，例如，轴承单元。工艺流体润滑泵1不需要与工艺流体不同的特定阻挡流体，从而避免了工艺流体向例如驱动单元4的泄漏。另外，工艺流体润滑泵1不需要与工艺流体不同的润滑剂来润滑泵组件。在下面的描述中，通过示例的方式参考重要的应用，其中，工艺流体是水，尤其是海水。术语“海水”包括未经处理的海水、纯净的海水、预处理的海水、过滤过的海水，特别是微过滤的海水和纳滤的海水。当然，根据本发明的泵1还可以被配置用于输送水或海水之外的其它工艺流体。
泵1的公共壳体2包括低压入口21，工艺流体通过该低压入口21进入泵1；以及高压出口22，高压出口22用于以比低压入口21处的工艺流体的压力更高的压力排出工艺流体。通常，高压出口22连接到用于将加压的工艺流体递送到井中的管道（未示出），在该井中喷射工艺流体。高压出口22处的工艺流体的压力被称为“高压”，而低压入口21处的工艺流体的压力被称为“低压”。高压和低压之间的差的典型值是例如100-200 bar（10-20 MPa）。
泵单元3还包括泵轴5，泵轴5从泵轴5的驱动端51延伸到非驱动端52。泵轴5被配置为绕由泵轴5的纵向轴线限定的轴向方向A旋转。
泵单元3还包括第一泵节段31，该第一泵节段31具有固定地安装在泵轴5上并且被配置用于将压力流体的压力从低压增加到高压的第一组叶轮311。第一组叶轮311包括以抗扭方式串联安装在泵轴5上的多个叶轮311。图1示出了第一组叶轮311包括串联布置在泵轴5上的十个叶轮311的示例。
将在下文中更详细地解释的驱动单元4被配置为在泵轴5的驱动端51上施加扭矩，以驱动泵轴5和叶轮311绕轴向方向A旋转。
工艺流体润滑泵1被配置为立式泵1，这意味着在操作期间，泵轴5在竖直方向（即重力方向）上延伸。因此，轴向方向A与竖直方向一致。
垂直于轴向方向的方向称为径向方向。术语“轴向的”或“轴向地”使用其通用含义“在轴向方向上”或“相对于轴向方向”。以类似的方式，术语“径向的”或“径向地”使用其通用含义“在径向方向上”或“相对于径向方向”。在下文中，关于诸如“在……上方”或“在……下方”或“上部”或“下部”或“顶部”或“底部”之类的位置的相对术语是指泵1的通常操作位置。图1、图5、图6和图9以及图10-12示出了处于其相应的通常操作位置的泵1的不同实施例和变型。
参照在操作期间的该通常取向，并且如图1中所示，驱动单元4位于泵单元3的上方。然而，在其它实施例中，泵单元3可以位于驱动单元4的顶部上。
低压入口21布置在泵单元3的下端，而高压出口22位于泵单元3的上端。
泵1包括用于支撑泵轴5的第一泵轴承单元53和第二泵轴承单元54。第一泵轴承单元53（其为上部泵轴承单元）在泵单元3和驱动单元4之间邻近泵轴5的驱动端51布置。第二泵轴承单元54（其为下部泵轴承单元）布置在泵单元3和泵轴5的非驱动端52之间或布置在非驱动端52。泵轴承单元53、54被配置为在轴向方向和径向方向上都支撑泵轴5。在图1中所示的实施例中，第一泵轴承单元53包括用于相对于径向方向支撑泵轴5的上部径向轴承531和用于相对于轴向方向A支撑泵轴5的轴向轴承532。上部径向轴承531和轴向轴承532布置成使得轴向轴承532面向驱动单元4并且上部径向轴承531面向泵单元3，即，轴向轴承532布置在上部径向轴承531和驱动单元4之间。当然，也可以交换上部径向轴承531和轴向轴承532的位置，即，将上部径向轴承531布置在轴向轴承532和驱动单元4之间。这种布置例如如图4中所示。在所述布置中，上部径向轴承531和轴向轴承532布置成使得上部径向轴承531面向驱动单元4并且轴向轴承532面向泵单元3，即，上部径向轴承531布置在轴向轴承532和驱动单元4之间。
径向轴承（诸如上部径向轴承531）也称为“轴颈轴承”，并且轴向轴承（诸如轴向轴承532）也称为“推力轴承”。上部径向轴承531和轴向轴承532可以被配置为单独的轴承，但是上部径向轴承531和轴向轴承532也可以被配置为在径向方向和轴向方向上都支撑泵轴5的单个组合的径向和轴向轴承。
第二泵轴承单元54包括用于在径向方向上支撑泵轴5的下部径向轴承541。在图1中所示的实施例中，第二泵轴承单元54不包括轴向或推力轴承。当然，第二泵轴承单元54也可以包括用于泵轴5的轴向轴承。在实施例中，在非驱动端52处的第二泵轴承单元54包括轴向轴承的情况下，在驱动端51处的第一泵轴承单元53可以被配置为不带轴向轴承或带轴向轴承。
泵1还包括第一平衡鼓7和第二平衡鼓8，用于至少部分地平衡在泵1的操作期间由叶轮311产生的轴向推力。两个平衡鼓7、8都固定地连接到泵轴5。第一平衡鼓7布置在泵单元3的上端上方，即布置在泵单元3与泵轴5的驱动端51之间，更确切地说，布置在泵单元3的上端与第一泵轴承单元53之间。第一平衡鼓7限定第一前侧71和第一后侧72。第一前侧71是面向泵单元3和第一组叶轮311的侧。第一后侧72是面向第一泵轴承单元53和驱动单元4的侧。第一平衡鼓7被第一静止部件26围绕，使得在第一平衡鼓7的径向外表面与第一静止部件26之间形成第一泄压通道73。第一静止部件26被配置为相对于公共壳体2静止。第一泄压通道73在第一平衡鼓7的外表面和第一静止部件26之间形成环形间隙，并且从第一前侧71延伸到第一后侧72。第一前侧71与高压出口22流体连通，使得第一平衡鼓7的面向第一前侧71的轴向表面基本上暴露于在泵1的操作期间在高压出口22处存在的高压。当然，由于在高压出口22和第一平衡鼓7之间的流体连通引起的较小的压力损失，在第一平衡鼓1的面向第一前侧71的轴向表面处存在的压力可以略小于高压。然而，在第一平衡鼓7上发生相当大的压降。在第一后侧72处，在泵1的操作期间存在第一中间压力。第一中间压力的值在低压入口21处的低压和高压出口22处的高压之间，例如，第一中间压力基本上在低压和高压之间的中间。
因为第一前侧71基本上暴露于在高压出口22处的高压，所以在第一平衡鼓7上存在压降，从而导致这样的力，即该力在轴向方向A上向上指向并且由此抵消在泵1的操作期间由第一组叶轮311产生的向下指向的轴向推力。
第二平衡鼓8布置在泵单元3的下端下方，即，布置在泵单元3和泵轴5的非驱动端52之间，更确切地说，布置在泵单元3的下端和第二泵轴承单元54之间。第二平衡鼓8限定第二前侧81和第二后侧82。第二前侧81是面向泵单元3和第一组叶轮311的侧。第二后侧82是面向第二泵轴承单元54的侧。第二平衡鼓8被第二静止部件27围绕，使得在第二平衡鼓8的径向外表面和第二静止部件27之间形成第二泄压通道83。第二静止部件27被配置为相对于公共壳体2静止。第二泄压通道83在第二平衡鼓8的外表面和第二静止部件27之间形成环形间隙，并且从第二前侧81延伸到第二后侧82。第二前侧81与低压入口21流体连通，使得第二平衡鼓8的面向第二前侧81的轴向表面基本上暴露于在泵1的操作期间在低压入口21处存在的低压。
设置有平衡管线9，该平衡管线9连接第一后侧72和第二后侧82。平衡管线9构成第一后侧72和第二后侧82之间的流动连接。平衡管线9可以布置在公共壳体2的外部，并且从第一后侧72处的第一端口91延伸到第二后侧82处的第二端口92。第一端口91和第二端口92布置在公共壳体2处，使得第一端口91与第一后侧72流体连通，并且第二端口92与第二后侧82流体连通。因此，在泵1的操作期间，工艺流体可以通过平衡管线9从第一后侧72流到第二后侧82。因此，除了由平衡管线9引起的较小的压降外，第二后侧82处存在的压力与第一后侧72处存在的压力基本相同，即第一中间压力。
因为第二前侧81暴露于在低压入口21处的低压，所以在第二平衡鼓8上存在压降，从而导致这样的力，即该力在轴向方向A上向上指向并且由此抵消在泵1的操作期间由第一组叶轮311产生的向下指向的轴向推力。
根据优选措施，第一平衡鼓7和第一泄压通道73以与第二平衡鼓8和第二泄压通道83相同的方式配置，使得第一平衡鼓7上的压降至少基本上与第二平衡鼓8上的压降相同。在这种配置中，第一中间压力等于低压和高压之和的一半。
工艺流体润滑泵1设计为无密封泵。无密封泵1是不具有用于密封旋转泵轴5的机械密封件的泵。机械密封件是用于旋转轴的密封件，该旋转轴包括固定至该轴并与该轴一起旋转的转子以及相对于壳体固定的静止定子。在操作期间，转子和定子沿彼此滑动（通常在两者之间有液体），以提供密封作用，从而防止工艺流体溢出到环境中或进入泵的驱动器。图1中所示的无密封泵1没有这种机械密封件。有意允许工艺流体进入驱动单元4，并将工艺流体用于冷却和润滑泵1的组件，诸如泵轴承单元53、54。
图2更详细地示出了驱动单元4的实施例的示意图。
驱动单元4包括电动马达41、在轴向方向A上延伸的驱动轴42、相对于轴向方向A布置在电动马达41上方的第一马达轴承单元43以及布置在电动马达41下方的第二马达轴承单元44。布置在第一马达轴承单元43和第二马达轴承单元44之间的电动马达41被配置为用于使驱动轴42绕轴向方向A旋转。驱动轴42借助于用于将扭矩传递到泵轴5的联轴器45连接到泵轴5的驱动端51。优选地，联轴器45被配置为柔性联轴器45，其以抗扭方式将驱动轴42连接到泵轴5，但允许驱动轴42和泵轴5之间的相对移动，例如横向移动。因此，柔性联轴器45传递扭矩，但是不传递或几乎不传递横向振动。柔性联轴器45可以被配置为机械联轴器、磁联轴器、液力联轴器或适于将扭矩从驱动轴42传递到泵轴5的任何其它联轴器。
第一马达轴承单元43和第二马达轴承单元44被配置为在径向方向和轴向方向A上都支撑驱动轴42。第一马达轴承单元43包括用于相对于径向方向支撑驱动轴42的上部径向轴承431和用于相对于轴向方向A支撑驱动轴42的轴向轴承432两者。上部径向轴承431和轴向轴承432布置成使得上部径向轴承431布置在径向轴承431和电动马达41之间。
当然，也可以交换上部径向轴承431和轴向轴承432的位置，即，将上部径向轴承431布置在轴向轴承432上方。在这种设计中，第一马达轴承单元43的轴向轴承432布置在上部径向轴承431和电动马达41之间。
上部径向轴承431和轴向轴承432可以被配置为单独的轴承，但是上部径向轴承431和轴向轴承432也可以被配置为在径向方向和轴向方向A上都支撑驱动轴42的单个组合的径向和轴向轴承。
第二马达轴承单元44包括用于在径向方向上支撑驱动轴42的下部径向轴承441。在图2中所示的实施例中，第二马达轴承单元44不包括轴向或推力轴承。当然，第二马达轴承单元44也可以包括用于驱动轴42的轴向轴承。在实施例中，在第二马达轴承单元44包括轴向轴承的情况下，第一马达轴承单元43可以被配置为不带轴向轴承或带轴向轴承。
驱动单元4的电动马达41包括向内设置的转子412，该转子412以抗扭的方式连接至驱动轴42；以及向外设置的马达定子411，该马达定子411围绕转子412，在转子412和马达定子411之间具有环形间隙413。转子412可以构成驱动轴42的一部分或者是单独的部分，其旋转地固定地连接到驱动轴42，使得转子412的旋转驱动该驱动轴42。电动马达41可以被配置为电缆绕线马达。在电缆绕线马达中，形成用于产生电磁场的线圈的马达定子411的各导线分别被绝缘，使得马达定子411甚至可以被导电流体（例如未经处理的海水）浸没。电缆绕线马达不需要用于冷却马达定子411的介电流体。可替代地，电动马达41可以被配置为罐式马达。当电驱动器41被配置为罐式马达时，环形间隙413由罐（未示出）径向向外界定，该罐相对于转子412和间隙413气密地密封马达定子411。因此，流过间隙413的任何工艺流体不能进入马达定子411。当电动马达41被设计为罐式马达时，不同于工艺流体的介电冷却流体可以循环通过气封的马达定子411以冷却马达定子411。
优选地，电动马达41被配置为永磁体马达或感应马达。为了向电动马达41供应能量，在公共壳体2处设有动力穿透器（未示出），用于接收向马达41提供动力的动力电缆（未示出）。
电动马达41可以被设计为与变频驱动器（VFD）一起操作，其中，通过改变供应给电动马达41的频率和/或电压，可以调节驱动器的速度，即旋转频率。然而，电动马达41也可以不同地配置为例如单速或单频驱动器。
在操作期间，泵1借助于工艺流体（例如海水）来冷却和润滑。在图1中所示的第一实施例中，提供了外部冷却回路10以增强泵1的冷却。为了更好地理解，图3示出了泵1的示意图，用于示出外部冷却回路10的实施例。可以利用作为热载体的工艺流体（例如海水）来操作外部冷却回路10。根据该实施例，外部冷却回路10包括至少一个用于使工艺流体循环通过外部冷却回路10的循环叶轮11。循环叶轮11的特征与第一组叶轮311的叶轮311的特征不同。
因为工艺流体构成了热载体，所以外部冷却回路10可以被设计为开路，其从泵单元3接收工艺流体，并且将工艺流体递送到泵1的不同位置。循环叶轮11由电动马达41驱动，并且优选地由驱动轴42驱动。如图1和图3中所示，循环叶轮11可以布置在例如电动马达41的顶部上，但是其它位置也是可以的。例如，（一个或多个）循环叶轮11也可以布置在以下一个或多个位置：驱动轴42的非驱动端、驱动轴42的驱动端、泵轴5的驱动端51、在第一平衡鼓7上方、在通向平衡管线9的第一端口91上方、在第一泵轴承单元53下方、在第一泵轴承单元53上方、在泵轴5的非驱动端52处、在第二泵轴承单元54下方。
外部冷却回路10还包括用于冷却外部冷却回路10中的工艺流体的热交换器12。热交换器12位于公共壳体2的外部。优选地，热交换器12被设计为围绕公共壳体2的盘管或螺旋管。在海底应用中，泵1周围的海水在公共壳体2的外部从盘管状热交换器12提取热，并由此冷却外部冷却回路10中的工艺液体。图1和图3中用虚线箭头表示外部冷却回路10中的工艺流体的流动。如图3中最佳可见，热交换器12与出口13流体连通，以从驱动单元4接收工艺流体，如箭头C1所示。更确切地说，出口13在驱动单元4上方的位置处设置在公共壳体2处，使得热交换器12接收经过驱动单元4并由此冷却了驱动单元4的工艺流体。在热交换器12中，环境从工艺流体中提取热并冷却工艺流体。在经过热交换器12之后，将冷却的工艺流体提供到泵的多个位置，以冷却和润滑组件。对于每个位置，在公共壳体2处设置有用于工艺流体的相应入口14、15、16（图3）。在热交换器12的下游，如箭头C2所示，冷却的工艺流体的第一部分通过入口14直接引入驱动单元4中，以冷却和润滑马达轴承单元43和44（图3中未示出）以及冷却电动马达41。如箭头C3所示，冷却的工艺流体的第二部分通过入口15直接引入第一泵轴承单元53中，以冷却和润滑第一泵轴承单元53。如箭头C4所示，冷却的工艺流体的第三部分通过入口16直接引入第二泵轴承单元54，以冷却和润滑第二泵轴承单元54。经过电动马达41以冷却电动马达的工艺流体如图3中虚线箭头C5所示被引导通过环形间隙413。如果马达定子411充满了工艺流体以进行冷却，例如当电动马达被配置为电缆绕线马达时，或者当工艺流体是绝缘流体（诸如过滤的或纳滤的海水）时，工艺流体也被引导通过马达定子411，如图3中的虚线箭头C6所示。
图4以类似于图1的横截面视图示出了冷却回路10′的不同设计。该设计不需要循环叶轮11，但是也可以包括循环叶轮。在图4中所示的配置中，没有设置循环叶轮。根据冷却回路10'的这种设计，泵单元3包括连接到冷却回路10'的中间出口310，用于将工艺流体供应到冷却回路10'，如图4中的虚线箭头C7所示。中间出口310被配置为以大于低压入口21处的低压的压力将工艺流体供应到冷却回路10'。
冷却回路10'包括第一分支101，第一分支101在中间出口310和入口17之间提供流体连通，工艺流体可以通过该第一分支101进入驱动单元4，以冷却和润滑驱动单元4，如图4中的虚线箭头C71所示。经过驱动单元4的工艺流体被引导通过第一泵轴承单元53，以冷却和润滑第一泵轴承单元53，如图4中的虚线箭头C73所示。经过第一泵轴承单元53的工艺流体与经过第一平衡鼓7的工艺流体汇合并且进入平衡管线9。
如先前已经提到的，图4示出了第一泵送单元53的设计，其中，上部径向轴承531和轴向轴承532布置成使得上部径向轴承531面向驱动单元4并且轴向轴承532面向泵单元3，即，上部径向轴承531布置在轴向轴承532与驱动单元4之间。
可选地，冷却回路10′的第一分支101可以包括第一限流器103，例如节流阀，其设置在第一分支101中，以调节经过第一泵轴承单元53和驱动单元4的工艺流体的流量。
冷却回路10'还包括第二分支102，第二分支102在中间出口310和入口18之间提供流体连通，工艺流体可以通过该第二分支102进入第二泵轴承单元54，以冷却和润滑第二泵轴承单元54，如图4中的虚线箭头C72所示。当工艺流体经过第二泵轴承单元54时，其与离开平衡管线9的工艺流体汇合。
可选地，第二分支102可以包括第二限流器104，例如节流阀，其设置在第二分支102中，以调节经过第二泵轴承单元53的工艺流体的流量。
中间出口310可以布置成从第一组叶轮311的叶轮311中的一个叶轮311接收工艺流体。因此，根据图4中所示的设计，用于使工艺流体循环通过冷却回路10'的驱动力由泵单元3的叶轮311中的一个或多个产生。优选地，中间出口310被配置为使得第一分支101和第二分支102中的工艺流体的压力至少与平衡管线9中的工艺流体的压力一样大。甚至更优选地，冷却回路10'的第一分支101和第二分支102中的工艺流体的压力比平衡管线9中的压力高几 bar，例如高10-30 bar。
冷却回路的第一分支101和第二分支102可以被设计为完全在公共壳体2内延伸的内部管线。如图4中所示，第一分支101和第二分支102也可以被配置为布置在公共壳体2外部的外部管线。需注意，冷却回路10'也可以包括与图3中所示的热交换器12类似方式解释的热交换器。
现在将参照图1至图3描述根据本发明的泵1的第一实施例的操作。通过旋转的第一组叶轮311的作用，通过低压入口21进入泵1的工艺流体被加压，并且该工艺流体通过高压出口22离开泵1，如图1中的无附图标记的实线大箭头所示。在第一平衡鼓7下方的第一前侧71与高压出口22流体连通。因此，加压的工艺流体的一部分经过第一泄压通道73到达第一后侧72，如图1中的箭头B1所示。在第一后侧72存在第一中间压力，由于第一平衡鼓7上方的压降，该中间压力小于高压。因此，产生了作用在泵轴5上的力。该力在轴向方向A上向上指向，并且由此部分地平衡由第一组叶轮311产生的并且在轴向方向A上向下指向的轴向推力。在第一后侧72，工艺流体的一部分通过第一端口91进入平衡管线9，并且另一部分进入第一泵轴承单元53并与外部冷却回路10的工艺流体汇合，该工艺流体通过入口15进入第一泵轴承单元53（图3）。
流过平衡管线9的工艺流体进入第二平衡鼓8下方的第二后侧82，并与从外部冷却回路10通过入口16（图3）引入第二泵轴承单元54中的工艺流体汇合。
在第二后侧82存在的压力与在第一后侧72的压力基本上相同，即第一中间压力。平衡管线9引起小的压降，使得第二后侧82处的压力略小于第一中间压力，但是为了理解本发明，可以忽略该差。第二后侧82处的压力（即第一中间压力）大于低压入口21处的低压，使得工艺流体从第二后侧82通过第二泄压通道83流到第二前侧81。第二平衡鼓8上的压降产生作用在泵轴5上的力。所述力在轴向方向A上向上指向，并且因此部分平衡了由旋转叶轮311产生的轴向推力，该轴向推力在轴向方向A上向下指向。
因此，从流体动力学角度来看串联布置的两个平衡鼓7和8至少部分地补偿了由旋转叶轮311产生的泵轴5上的轴向推力。即使平衡鼓7和8没有完全平衡所述轴向推力，第一泵轴承单元53的轴向轴承532所必须承受的载荷也大大降低了。在泵轴5的驱动端51和非驱动端52处都设置平衡鼓7、8可大大提高包括泵轴5、第一组叶轮311和两个平衡鼓7和8的整个转子装置的稳定性。借助于两个平衡鼓7、8，可靠地防止或至少大大减少了泵轴5的下部、即泵轴5的与非驱动端52相邻的部分的旋转。
仅作为示例，并且为了更好地理解，在泵1处和泵1中可存在以下不同的压力。例如，当泵1部署在水面以下500 m的深度的海底时，在低压入口21处存在的低压为例如50bar。泵1可以被配置为将压力增加300 bar。因此，高压出口22处的高压为350 bar。当第一平衡鼓7和第一泄压通道73以与第二平衡鼓8和第二泄压通道83相同的方式配置时，第一平衡鼓7上的压降至少与第二平衡鼓8上的压降大致相同，即当忽略其它较小的压力损失（诸如平衡管线9中的压力损失）时，在每种情况下大约为150 bar。因此，在第一后侧72和第二后侧82两者处存在的第一中间压力为约200 bar。
通过工艺流体对泵1的冷却和润滑是通过由第一组叶轮311的作用来驱动并由图1中的实线箭头所示的经过平衡管线9的流动和由虚线箭头所示的经过外部冷却回路10的流动两者来实现的。所述两种流动都有助于利用工艺流体来冷却和润滑泵轴承单元53和54、马达轴承单元43和44以及电动马达41。
图5示出了根据本发明的工艺流体润滑泵1的第二实施例的示意性横截面视图。
在以下对工艺流体润滑泵1的第二实施例的描述中，仅更详细地解释与第一实施例的不同之处。关于第一实施例的解释也以与第二实施例相同或类似的方式有效。相同的附图标记表示已经参考第一实施例解释的相同特征或功能上等同的特征。具体地，参考图2解释的驱动单元也可以用于第二实施例。
与第一实施例相比，主要的区别在于，泵1的第二实施例不包括外部冷却回路10。泵轴承单元53和54以及包括电动马达41和马达轴承单元43和44的驱动单元4仅通过工艺流体的流动进行冷却和润滑，该工艺流体的流动是由泵单元3的第一组叶轮311的作用驱动的。
在驱动单元4的上方布置有第一端口91，平衡管线9连接至该第一端口91以接收工艺流体。沿着第一平衡鼓7经过第一泄压通道73的工艺流体流过第一泵轴承单元53，并且然后进入驱动单元4，经过第二马达轴承单元44、电动马达41、第一马达轴承单元43，并且在驱动单元4的上端离开驱动单元4，如图5中的箭头B2所示。第一端口91位于驱动单元4上方，从而形成平衡管线9的入口。因此，平衡管线9接收从驱动单元4排出的工艺流体。引导工艺流体通过第一泵轴承单元53和驱动单元4导致在第一后侧72和第一端口91之间的压降。该压降可以是几 bar，例如约10 bar。因此，在第一端口91处存在第二中间压力，该第二中间压力略小于在第一平衡鼓7与第一泵轴承单元53之间的第一后侧72处存在的第一中间压力。
与平衡管线9连接的第二端口92在泵轴5的非驱动端52处布置在第二泵轴承单元54的下方。因此，离开平衡管线9并经过第二端口92的工艺流体被引导经过第二泵轴承单元54到达第二平衡鼓8处的第二后侧82。工艺流体从第二后侧82沿着第二平衡鼓8流过第二泄压通道83到达存在低压的第二前侧81。由于将工艺流体从第二端口92引导通过第二泵轴承单元54，所以在第二后侧82处存在的压力略小于在第二端口92处的压力。忽略平衡管线9上从第一端口91到第二端口92的压降，第二端口92处的压力与第一端口91处的压力相同，即第二中间压力。由于第二泵轴承单元54上的压降，在第二后侧82处存在第三中间压力，该第三中间压力略小于第二中间压力，例如小4 bar。
可选地，可以提供一个或多个旁通管线，其被配置为限制通过不同轴承单元53、54、43、44的工艺流体的流动。在图5中，示出了第一旁通管线93，其被配置为绕过第一泵轴承单元53以及驱动单元4。第一节流阀931设置在第一旁通管线93中，以调节经过第一泵轴承单元53和驱动单元4的工艺流体的流量。因此，离开第一泄压通道73的工艺流体的第一部分流过第一泵轴承单元53和驱动单元4，然后经由第一端口91进入平衡管线9，并且离开第一泄压通道73的工艺流体的第二部分绕过第一泵轴承单元53和驱动单元4两者，并且直接进入平衡管线9。在图5中，第一旁通管线93被示为外部管线。第一旁通管线93的入口在第一平衡鼓7与第一泵轴承单元53之间的位置处位于公共壳体2处（相对于轴向方向A）。第一旁通管线93从所述入口朝向平衡管线9延伸并通向平衡管线9。然而，对于许多应用而言甚至优选的是，第一旁通管线93也可以被配置为内部管线，该内部管线完全位于公共壳体2内。为此目的，第一旁通管线93可被配置为构成分别在第一后侧72和第一端口91或驱动单元4上方的容积之间进行直接流动连通，其中所述流动连通绕过第一泵轴承单元53和驱动单元4。将第一旁通管线93配置为内部管线的优点是可以减少在公共壳体2处所需的开口数量。
可选地，可以提供第二旁通管线94，该第二旁通管线94被配置为在泵轴5的非驱动端52处绕过第二泵轴承单元54。第二节流阀941设置在第二旁通管线94中，以调节经过第二泵轴承单元54的工艺流体的流量。因此，流过平衡管线9的工艺流体的第一部分流过第二泵轴承单元54到达第二后侧82，并且流过平衡管线9的工艺流体的第二部分绕过第二泵轴承单元54，并且直接进入第二后侧82，以通过第二泄压通道83排出。在图5中，第二旁通管线94被示为将平衡管线9与第二后侧82连接的外部管线。第二旁通管线94的入口位于平衡管线9处。第二旁通管线94从所述入口朝向公共壳体2延伸，并且连接到公共壳体2处的开口，所述开口位于第二平衡鼓8和第二泵轴承单元54之间（相对于轴向方向A）。然而，对于许多应用而言甚至优选的是，第二旁通管线94也可以被配置为内部管线，该内部管线完全位于公共壳体2内。为此目的，第二旁通管线94可被配置为构成分别在第二端口92或第二泵轴承单元54下方的容积与第二后侧82之间进行直接流动连通，其中所述流动连通绕过第二泵轴承单元54。将第二旁通管线94配置为内部管线的优点是可以减少在公共壳体2处所需的开口数量。
回到参照泵的第一实施例给出的数值示例，在泵1的第二实施例处以及在泵1的第二实施例中可存在以下不同的压力：例如，当泵1部署在水面以下500 m的深度的海底时，在低压入口21处存在的低压为例如50 bar。泵1可以被配置为将压力增加195 bar。因此，高压出口22处的高压为245 bar。当第一平衡鼓7和第一泄压通道73以与第二平衡鼓8和第二泄压通道83相同的方式配置时，第一平衡鼓7上的压降至少与第二平衡鼓8上的压降大致相同。考虑到在第一泵轴承单元53和驱动单元4上以及在第二泵轴承单元54上也存在压降，在每个平衡鼓7、8上的相应压降小于泵1产生的压力增加的一半。例如，每个平衡鼓7、8上的压降可以是90 bar，第一泵轴承单元53和驱动单元4上的压降可以是10 bar，并且第二泵轴承单元54上的压降可以是5 bar。因此，在第一后侧72存在的第一中间压力为约155 bar。在驱动单元4上方和在第二轴承单元54下方的第二中间压力，即在第一端口91、第二端口92处以及在平衡管线9内的压力为约145 bar。在第二后侧82处存在的第三中间压力为约140 bar。在第二前侧81处的压力为50 bar的低压。
图6示出了根据本发明的工艺流体润滑泵1的第三实施例的示意性横截面视图。
在以下对工艺流体润滑泵1的第三实施例的描述中，仅更详细解释与第一实施例和第二实施例的不同之处。关于第一实施例和关于第二实施例的解释也以与第三实施例相同或相似的方式有效。相同的附图标记表示已经参考第一实施例和第二实施例解释的相同特征或功能上等同的特征。具体地，参考图2解释的驱动单元也可以用于第三实施例，并且外部冷却回路10（图3）以及冷却回路10'（图4）也可以用于第三实施例。
与第一实施例和第二实施例相比，主要区别在于，泵1的第三实施例的泵单元3包括第二泵节段32，该第二泵节段32具有第二组叶轮321，第二组叶轮321以抗扭的方式固定地安装在泵轴5上并且被配置用于增加工艺流体的压力。第一泵节段31和第二泵节段32相对于轴向方向A相继地布置。节流装置33布置在第一泵节段31和第二泵节段32之间，用于限制第一泵节段31和第二泵节段32之间沿着泵轴5的流体连通。节流装置33允许工艺流体从第一泵节段31泄漏到第二泵节段32，这将在下文中更详细地解释。节流装置33可包括固定地连接到泵轴5并随泵轴5旋转的中心衬套331。中心衬套331被相对于公共壳体2静止的静止节流部件332包围。因此，在中心衬套331的外表面与静止节流部件332之间形成环形节流间隙333。工艺流体可以从第一泵节段31经过节流装置33的节流间隙333到达第二泵节段32，如带有附图标记T的小箭头所示。由于中心衬套331，节流装置33另外在泵轴5上提供轴向力，该轴向力抵消了由第一组叶轮311和/或第二组叶轮321产生的轴向推力。
公共壳体2还包括增大的压力出口23和增大的压力入口24。第二泵节段32与低压入口21和增大的压力出口23流体连通。更确切地说，第二泵节段32被配置为接收来自低压入口21的工艺流体，以增加工艺流体的压力，并通过增大的压力出口23排出加压的工艺流体。第一泵节段31与增大的压力入口24和高压出口22流体连通。更确切地说，第一泵节段31被配置为从增大的压力入口24接收工艺流体，以增加工艺流体的压力，并通过高压出口22排出加压的工艺流体。
根据第三实施例，泵单元3包括在同一泵轴5上并由同一驱动单元4驱动的两个泵节段31、32。这种“二合一”设计基本上起到两个泵的作用。第一泵节段31可以用于第一泵应用，并且第二泵节段32可以用于第二且不同的泵应用。根据在实践中很重要的应用，第二泵节段32可以用作用于将海水作为工艺流体提供给膜过滤单元130（图14）的馈送泵，并且第一泵节段31可以用作水喷射泵，该水喷射泵从膜过滤单元130接收纳滤的工艺流体，并通过高压出口22将加压的工艺流体排放到井中，以将海水喷射到地下区域中。
在第三实施例中，具有第一平衡鼓7、第二平衡鼓8和平衡管线9的配置基本上与前面已经描述的相同。驱动单元4可以以与参照图2解释的方式相同的方式设计。第三实施例包括外部冷却回路10。外部冷却回路10可以以与参照图1和图3或图4针对第一实施例所解释的相同或相似的方式配置。
包括第一组叶轮311的第一泵节段31和包括第二组叶轮321的第二泵节段32可以以串联布置或背对背布置进行设置。
在串联布置中，第一组叶轮311和第二组叶轮321被配置为使得由旋转的第一组叶轮311的作用产生的轴向推力指向与由旋转的第二组叶轮321的作用产生的轴向推力相同的方向。因此，由第二组叶轮321产生的从低压入口21到增大的压力出口23的工艺流体的流动指向与由第一组叶轮311产生的从增大的压力入口24到高压出口22的工艺流体的流动相同的方向。
在背对背布置中，第一组叶轮311和第二组叶轮321被配置为使得由旋转的第一组叶轮311的作用产生的轴向推力指向与由旋转的第二组叶轮321的作用产生的轴向推力相反的方向。因此，由第二组叶轮321产生的从低压入口21到增大的压力出口23的工艺流体的流动指向与由第一组叶轮311产生的从增大的压力入口24到高压出口22的工艺流体的流动相反的方向。
对于许多应用，背对背布置是优选的，因为由第一组叶轮311产生的作用在泵轴5上的轴向推力抵消了由第二组叶轮321产生的轴向推力。因此，所述两个轴向推力至少部分地彼此补偿。
背对背布置可以如例如图6中所示进行配置，其中高压出口22和增大的压力出口23分别布置在泵单元3的一端，并且低压入口21和增大的压力入口24两者都布置在出口22和23之间。
根据例如图10中所示的另一种背对背布置，低压入口21和增大的压力入口24分别布置在泵单元3的一端，并且增大的压力出口23和高压出口22两者都布置在入口21和24之间。
然而，需注意，对于其它应用，可以使用或甚至优选串联布置。
对于串联布置和背对背布置两者而言，形成第一组叶轮311的单个叶轮311的数量和形成第二组叶轮321的单个叶轮321的数量可以是不同的或可以是相同的。第一组叶轮和第二组叶轮是分别具有相同数量的叶轮311和321，还是第一组叶轮311具有与第二组叶轮321不同数量的叶轮311，这取决于相应的应用。
对于许多应用，特别是当第一泵节段31用作水喷射泵并且第二泵节段32用作馈送泵时，优选的是，第一组叶轮311包括的叶轮311数量比第二组叶轮321大。原因是，在许多应用中，第一泵节段31进行水喷射所需的压力增加比第二泵节段32对例如膜过滤单元进行馈送所需的压力增加大得多。在图6中所示的泵1的第三实施例中，第一组叶轮311具有六个叶轮311，并且第二组叶轮321具有四个叶轮321。这就是说，第一泵节段31被配置为六级泵，并且第二泵节段32被配置为四级泵。
泵1的第三实施例被配置为具有第一组叶轮311和第二组叶轮321的背对背布置。如图6中所示，增大的压力入口24布置在高压出口22和增大的压力出口23之间。此外，低压入口21布置在增大的压力入口24和增大的压力出口23之间。因此，沿轴向方向A从泵1的顶部到底部，入口21、24和出口22、23按以下顺序布置：高压出口22、增大的压力入口24、低压入口21、增大的压力出口23。
因此，高压出口22布置在第一平衡鼓7的旁边，使得第一前侧71与高压出口22流体连通。因此，第一前侧71处的压力至少与高压大致相同。
增大的压力出口23布置在第二平衡鼓8的旁边，使得第二前侧81与增大的压力出口23流体连通。因此，第二前侧81处的压力至少与增大的压力出口23处的压力大致相同。
低压入口21和增大的压力入口24关于轴向方向A彼此相邻地布置。节流装置33被布置在低压入口21和增大的压力入口24之间，使得在节流装置33的一侧存在低压入口21处的压力，即低压，并且在节流装置33的另一侧存在增大的压力入口24处的压力。因此，节流装置33暴露于增大的压力入口24处的压力与低压入口21处的低压之间的压力差。
在许多应用中，增大的压力入口24处的压力大于低压入口21处的低压，使得工艺流体只能通过节流装置33从第一泵节段31流向第二泵节段32，而不是反方向流动，即从第二泵节段32流向第一泵节段31。通过节流装置33的流动由带有附图标记T的小箭头表示。
参照示例性应用，第一泵节段31用作水喷射泵，并且第二泵节段32用作馈送泵，以馈送膜过滤单元130（图14）。低压入口21可接收预过滤或微过滤的海水作为工艺流体。海水被第二泵节段32加压至足以馈送膜过滤单元130的压力，并通过增大的压力出口23排出。增大的压力出口23与膜过滤单元130的入口例如通过管道流体连通。膜过滤单元130通常具有两个出口，即渗透物出口和浓缩物出口。通过膜过滤单元130的膜的流体到达渗透物出口。这种流体是经过纳滤的海水。工艺流体的没有通过膜的剩余部分也称为浓缩物。浓缩物到达浓缩物出口，并从膜过滤单元排出。
膜单元130的渗透物出口例如通过管道与泵1的增大的压力入口24流体连通，用于将纳滤的海水递送到泵1的第一泵节段31。第一泵节段31对纳滤的海水加压并通过高压出口22将海水排出，以喷射到通向地下区域的井中。
仅作为示例并且为了更好地理解，给出了关于泵1处和泵1中不同压力的以下数值示例：例如，当泵1部署在水面以下1000 m的深度的海底时，在低压入口21处存在的低压为例如100 bar。泵1的第二泵节段32可以被配置为将压力增加25 bar。因此，增大的压力出口23处的压力为125 bar。工艺流体从增大的压力出口23被馈送到膜过滤单元130。膜过滤单元的渗透物出口连接到泵的增大的压力入口24。纳滤的海水在增大的压力入口24处具有105 bar的压力。因此，节流装置上的压降为约5 bar，使得工艺流体可以仅从第一泵节段31通过节流装置33到达第二泵节段32。第一泵节段31可以被配置为将纳滤的海水的压力增加195 bar。因此，高压出口22处的高压为300 bar。因此，第一前侧71和第二前侧81之间的压力差为175 bar。当第一平衡鼓7和第一泄压通道73以与第二平衡鼓8和第二泄压通道83相同的方式配置时，第一平衡鼓7上的压降至少与第二平衡鼓8上的压降大致相同，即在每种情况下为87.5 bar（忽略平衡管线9上的压降）。因此，在第一后侧72和第二后侧82两者处存在的第一中间压力为约212.5 bar。
一个重要的优点是，工艺流体，即海水只能在一个方向（即从第一泵节段31到第二泵节段32）通过节流装置33，因为增大的压力入口24处的纳滤的海水的压力大于低压入口21处的预过滤或微过滤的海水的低压。因此，可靠地防止了第二泵节段32中过滤较少的海水污染了第一泵节段31中的纳滤的海水。
关于节流装置33，节流装置33限制了工艺流体沿着泵轴5在第一泵节段31和第二泵节段32之间的流动，几种不同的设计是可能的。基本上，节流装置33可以被配置为产生作用在泵轴5上的附加推力，或者节流装置33可以设计成不产生作用在泵轴5上的附加推力。如果节流装置将在泵轴上产生附加推力，则节流装置可包括如图6中所示固定地连接至泵轴5的中心衬套331或固定地连接至泵轴5的节流套筒。
如在图7中作为节流装置33的第一变型所示，也可以将节流装置33配置有第三平衡鼓331'。以与关于第一平衡鼓7和第二平衡鼓8所解释的相同的方式，第三平衡鼓331'固定地连接到泵轴5，以与泵轴5一起旋转。第三平衡鼓331'被相对于公共壳体2静止的静止节流部件332包围。因此，在第三平衡鼓331'的外表面和静止节流部件332之间形成环形节流间隙333。工艺流体可以从第一泵节段31经过节流装置33的节流间隙333到达第二泵节段32，如带有附图标记T的小箭头所示。第三平衡鼓331'的基本功能至少与中心衬套331的基本功能相似。由于作用在平衡鼓311'的轴向表面上的压力不同，因此产生推力，该推力作用在泵轴上。通常，如果固定地连接到泵轴5的部件的直径较小（图6），则其被称为中心衬套311或节流套筒；并且如果所述部件的直径较大，则其被称为平衡鼓311'。
具体地，当节流装置33设计成具有第三平衡鼓331'时，通常在节流装置33上存在相当大的压降。仅作为示例并且为了更好地理解，给出了关于泵1处和泵1中不同压力的以下数值示例：例如，当泵1部署在水面以下1000 m的深度的海底时，在低压入口21处存在的低压为例如100 bar。泵1的第二泵节段32可以被配置为将压力增加80 bar。因此，增大的压力出口23处的压力为180 bar。工艺流体从增大的压力出口23被馈送到膜过滤单元130（图14）。膜过滤单元130的渗透物出口连接到泵的增大的压力入口24。纳滤的海水在增大的压力入口24处具有130 bar的压力。因此，节流装置上的压降为30 bar。第一泵节段31可以被配置为将纳滤的海水的压力增加170 bar。因此，高压出口22处的高压为300 bar。因此，第一前侧71和第二前侧81之间的压力差为120 bar。当第一平衡鼓7和第一泄压通道73以与第二平衡鼓8和第二泄压通道83相同的方式配置时，第一平衡鼓7上的压降至少与第二平衡鼓8上的压降大致相同，即在每种情况下为60 bar（忽略平衡管线9上的压降）。因此，在第一后侧72和第二后侧82两者处存在的第一中间压力为约240 bar。
图8以示意性横截面视图示出了节流装置33的第二变型。第二变型被配置为使得其不产生作用在泵轴5上的附加推力。节流装置33包括围绕泵轴5并且与泵轴5直接相邻的环形节流开口333'。环形节流开口333'被相对于公共壳体2静止的静止节流部件332包围。因此，在泵轴5的外表面和静止节流部件332之间形成环形节流开口333'，并且该环形节流开口333'由泵轴5的外表面和静止节流部件332界定。
图9示出了根据本发明的工艺流体润滑泵1的第四实施例的示意性横截面视图。
在以下对工艺流体润滑泵1的第四实施例的描述中，仅更详细地解释与第一实施例、第二实施例和第三实施例的不同之处。关于第一实施例、第二实施例和第三实施例的解释对于第四实施例也以相同或类似的方式有效。相同的附图标记表示已经参考第一实施例、第二实施例和/或第三实施例说明的相同特征或功能上等同的特征。具体地，参考图2解释的驱动单元也可以用于第四实施例。
泵1的第四实施例还包括第二泵节段32，该第二泵节段32具有第二组叶轮321，该第二组叶轮321以抗扭的方式固定地安装在泵轴5上并且被配置为用于增加工艺流体的压力。与第三实施例相比，主要的区别在于，泵1的第四实施例不包括外部冷却回路10。泵轴承单元53和54以及包括电动马达41和马达轴承单元43和44的驱动单元4仅通过工艺流体的流动来冷却和润滑，该工艺流体的流动是通过泵单元3的第一组叶轮311和第二组叶轮321的作用来驱动的。因此，第四实施例基本上是借助于第三实施例解释的二合一泵设计和如借助第二实施例解释的没有外部冷却回路的设计的组合。泵1的第四实施例的冷却和润滑可以以与已经针对第二实施例解释的方式相同或相似的方式配置。
在图10、图11和图12中以示意性横截面图示出了第三实施例和第四实施例的不同变型。由于所有这些变型均适用于具有外部冷却回路10的第三实施例（图6）和不具有外部冷却回路的第四实施例（图9），因此在图10、图11和图12中的每一个中，仅示出了具有第一平衡鼓7和第二平衡鼓8以及平衡管线9的泵节段3。
图10示出了一种变型，其中，出口22、23布置在公共壳体2的入口21、24之间。增大的压力入口24布置在泵单元3的上端和第一平衡鼓7的旁边，使得第一前侧71与增大的压力入口24流体连通。因此，第一前侧71处的压力至少与增大的压力入口24处的压力大致相同。低压入口21布置在泵单元3的下端和第二平衡鼓8的旁边，使得第二前侧81与低压入口21流体连通。因此，第二前侧81处的压力至少与低压入口21处的压力（即低压）大致相同。增大的压力出口23和高压出口22关于轴向方向A彼此相邻地布置。节流装置33布置在增大的压力出口23和高压出口22之间，使得在节流装置33的一侧存在增大的压力出口23处的压力，并且在节流装置33的另一侧存在高压出口22处的压力，即高压。因此，节流装置33暴露于高压出口22处的压力与增大的压力出口23处的压力之间的压力差。
因此，沿轴向方向A从泵1的顶部到底部，入口21、24和出口22、23按以下顺序布置：增大的压力入口24、高压出口22、增大的压力出口23、低压入口21。
根据图11和图12中所示的变型，具有第二组叶轮312的第二泵节段32布置在具有第一组叶轮311的第一泵节段31的顶部上，即第二泵节段32相对于轴向方向A布置在第一泵节段31和驱动单元4之间。在第一泵节段31用作水喷射泵并且第二泵节段32用作（膜）馈送泵的应用中，馈送泵布置在水喷射泵的顶部上并且在驱动单元4的旁边。
根据图11中所示的变型，入口21、24布置在公共壳体2的出口22、23之间。增大的压力出口23布置在泵单元3的上端和第一平衡鼓7的旁边，使得第一前侧71与增大的压力出口23流体连通。因此，第一前侧71处的压力至少与增大的压力出口23处的压力大致相同。高压出口22布置在泵单元3的下端和第二平衡鼓8的旁边，使得第二前侧81与高压出口22流体连通。因此，第二前侧81处的压力至少与高压出口22处的压力（即高压）大致相同。增大的压力入口24和低压入口21关于轴向方向A彼此相邻地布置。节流装置33布置在增大的压力入口23和低压入口21之间，使得在节流装置33的一侧存在增大的压力入口23处的压力，并且在节流装置33的另一侧存在低压入口21处的压力，即低压。因此，节流装置33暴露于增大的压力入口24处的压力与低压入口23处的压力之间的压力差。
因此，沿轴向方向A从泵1的顶部到底部，入口21、24和出口22、23按以下顺序布置：增大的压力出口23、低压入口21、增大的压力入口24、高压出口22。通过平衡管线9的流动指向向上的方向。
图12示出了一种变型，其中，出口22、23布置在公共壳体2的入口21、24之间。低压入口21布置在泵单元3的上端和第一平衡鼓7的旁边，使得第一前侧71与低压入口21流体连通。因此，第一前侧71处的压力至少与低压入口21处的压力（即低压）大致相同。增大的压力入口24布置在泵单元3的下端和第二平衡鼓8的旁边，使得第二前侧81与增大的压力入口24流体连通。因此，第二前侧81处的压力至少与增大的压力入口24处的压力大致相同。增大的压力出口23和高压出口22关于轴向方向A彼此相邻地布置。节流装置33布置在增大的压力出口23和高压出口22之间，使得在节流装置33的一侧存在增大的压力出口24处的压力，并且在节流装置33的另一侧存在高压出口22处的压力，即高压。因此，节流装置33暴露于高压出口22处的压力与增大的压力出口23处的压力之间的压力差。
因此，沿轴向方向A从泵1的顶部到底部，入口21、24和出口22、23按以下顺序布置：低压入口21、增大的压力出口23、高压出口22、增大的压力入口24。通过平衡管线9的流动指向向上的方向。
根据本发明的工艺流体润滑泵1特别适合用作海水喷射系统中的水喷射泵，尤其是在部署在海底上的此类系统中。图13示出了根据本发明的海水喷射系统的第一实施例的示意图，海水喷射系统作为一个整体用附图标记100表示。海水喷射系统100提供足够纯度的海水以喷射到油和/或气储层（未示出）中。海水喷射系统100包括根据本发明设计的粗过滤单元110、微过滤单元120、膜过滤单元130和工艺流体润滑泵1。
海水喷射系统的第一实施例被具体配置用于海水的静水压力足以操作膜过滤单元130的应用。通常，膜过滤单元130中的膜需要例如20-50 bar（2-5 MPa）的馈送压力，例如在膜过滤单元130被配置为硫酸盐去除单元的应用中。根据特定的应用，膜过滤单元130所需的馈送压力甚至可以更高，例如，如果膜过滤单元130包括反渗透装置，则所需的馈送压力可以高达80 bar（8MPa）或更高。例如，如果将海水喷射系统100安装在水面以下1100 m的深度处，则海水的静水压力为约110 bar（11 MPa）。即使考虑到粗过滤单元110和微过滤单元120也引起压降以使海水移动通过这些单元110、120，该压力通常足以在没有馈送泵的情况下操作膜过滤单元130。
如图13中的箭头S所示，粗过滤单元110接收海水。海水通过粗过滤单元110以去除较大尺寸的颗粒和材料。可选地，为了准备用于进一步处理的海水，粗过滤单元110还可以被配置为借助于杀菌剂执行电化学过程和/或生物过程。粗过滤单元110可包括平行布置的多个粗过滤装置111。图13示出了平行布置的两个粗过滤装置111。当然，也可以将粗过滤单元110配置成具有三个或更多个粗过滤装置111。提供平行布置的多个粗过滤装置111的优点是，粗过滤装置111中的一个可以离线，而其余的粗过滤装置111保持在线并向微过滤单元120提供海水。粗过滤装置111中的每个可以设置有反洗入口112，用于反洗相应的粗过滤装置111。
在工艺流体（即海水）通过粗过滤单元110之后，将该工艺流体供应到微过滤单元120以进行更精细的过滤，即，以去除较小尺寸的颗粒。微过滤单元120可包括平行布置的多个微过滤装置121。图13示出了平行布置的两个微过滤装置121。当然，也可以将微过滤单元120配置成具有三个或更多个微过滤装置121。提供平行布置的多个微过滤装置121的优点是，微过滤装置121中的一个可以离线，而其余的微过滤装置121保持在线并且将海水提供给膜过滤单元130。微过滤装置121中的每个可设置有反洗入口122，用于反洗相应的微过滤装置121。
在海水通过微过滤单元120之后，将微过滤的海水供应到膜过滤单元130以进行纳滤，例如用于从海水中去除硫酸盐或其它亚微米颗粒。膜过滤单元130可包括平行布置的多个纳滤装置131。图13示出了平行布置的两个纳滤装置131。当然，也可以将膜过滤单元130配置成具有三个或更多个纳滤装置131。提供平行布置的多个纳滤装置131的优点是，纳滤装置131中的一个可以离线，而其余的纳滤装置131保持在线并且向泵1提供纳滤的海水。如本领域中已知的，纳滤装置131中的每个包括膜（未示出）。另外，纳滤装置131中的每个包括用于在馈送压力下接收微过滤的海水的馈送入口132，以及两个出口133、134，即渗透物出口133和浓缩物出口134。通过相应的纳滤装置131的膜的流体（例如硫酸盐贫化的海水）到达渗透物出口133。该流体是纳滤的海水。没工艺流体的有通过膜的剩余部分（例如富含硫酸盐的海水）也被称为浓缩物。浓缩物到达浓缩物出口134，并从相应的纳滤装置131排出。
所有纳滤装置的渗透物出口133与膜过滤单元130的共同渗透物出口135流体连通。
泵1例如根据工艺流体润滑泵1的第一实施例或第二实施例进行配置。泵1的低压入口21与膜过滤单元130的渗透物出口135流体连通，以用于接收纳滤的海水。例如，提供了将渗透物出口135与低压入口连接的管道。
泵1对纳滤的海水加压，并通过泵1的高压出口22排放海水，如图13中的箭头I所示。泵1的高压出口22例如通过管道与井（未示出）流体连通，以用于将海水喷射到油和/或气储层所在的地下区域中。
图14示出了根据本发明的海水喷射系统100的第二实施例的示意性横截面视图。
在下面对海水喷射系统100的第二实施例的描述中，仅更详细地解释与第一实施例的不同之处。关于第一实施例的解释也以与第二实施例相同或类似的方式有效。相同的附图标记表示已经参考第一实施例解释的相同特征或功能上等同的特征。
与第一实施例相比，主要区别在于，海水喷射系统100的第二实施例包括用于将微过滤的海水馈送至膜过滤单元的馈送泵。构成所述馈送泵的是根据本发明的泵1的第二泵节段32。
海水喷射系统100的第二实施例包括泵1，其根据泵1的第三实施例（图6）或根据第四实施例（图9）进行配置。
海水喷射系统100的第二实施例可以用在例如浅水应用中，其中海水的静水压力不足以操作膜过滤单元130。这可以是例如系统100安装在水面以下200 m深度的海底上的应用。当然，海水喷射系统100的第二实施例不限于在浅水中的这种应用，而是也可以用于深水中的应用，例如在水面以下1000 m处或甚至更深处。
在海水喷射系统100的第二实施例中，泵1的第二泵节段32用作用于向膜过滤单元130供应预过滤的海水的馈送泵。第一泵节段31用作用于对纳滤的海水加压的水喷射泵。
因此，离开微过滤单元120的微过滤的海水被供给至泵1的低压入口21。泵1的增大的压力出口23连接至膜过滤单元130的纳滤装置131的脚部入口132，以用于将海水供应到膜过滤单元130。泵1的增大的压力入口24例如通过管道与膜过滤单元130的公共渗透物出口135流体连通，以用于接收纳滤的海水。泵1的高压出口22与井流体连通，以用于将海水喷射到油和/或气储层所在的地下区域中。
