（机械工程专业论文）大排量螺杆泵的设计和开发.pdf

摘要 摘要 地面驱动采油螺杆泵是一种新型的采油机械，主要由地面驱动装置和井下螺杆泵 两部分组成。地面驱动装置将井口动力通过抽油杆的旋转运动传递到井下，驱动螺杆 泵工作。 井下的螺杆泵由转子和定子组成，转子是螺杆泵中唯一的运动部件，它是由高强 度钢经精加工及表面镀铬而成；定子是在钢管内模压高弹性合成橡胶而成，根据不同 的应用场合有多种橡胶类型。由于转子与定子配合时形成一系列相互隔开的封闭腔， 当转子转动时，封闭腔沿轴向由吸入端向排出端运移，在排出端消失，同时吸入端形 成新的封闭腔，其中腔内所盛满的液体也就随着封闭腔的运移由吸入端推挤到排出 端。这种封闭腔的不断形成、运移、消失，起到了泵送液体的作用。 主要优点 1 对油井液体适应范围广 可用于原油粘度5 0 0 0 m p a s 的稠油井、含砂井和含蜡井。 2 不发生气锁 均匀连续吸液和排液，溶解气不易析出：同时，p c 泵中没有阀件，也没有发生气锁 的可能性。 3 泵效高 运动部件少，没有阀件和复杂流道，油流扰动小，水力损失较低，泵效可达7 0 以上。 4 输出流量均匀；易于调节 通过改变地面驱动装置的转速，很容易调节流量。 5 适应排量范罔大 同产液量为1 5 9 、4 0 0 m 3 d 。 6 简单方便，成本低 地面设备简单、体积小、重量轻、投资少；使用维护简单方便，运行成本低。 关键词：螺杆泵；定子；转子 中国油大学( 华东) 工程硕上论文 t h e d e s i g na n dd e v e l o p m e n t o fw i d ep r o d u c t i o n p r o g r e s s i v ec a v i t yp u m p s ( m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db y a b s t r a c t s u r f a c ed r i v ea n dp cp u m p ( p r o g r e s s i v ec a v i t yp u m p ) i san e wt y p eo fa r t i f i c i a ll i f t s y s t e m ，w h i c hf e n d sm o r ea n dm o r ea p p l i c a t i o n si nt h eo i lf i e l d s s u r f a c ed r i v es u s p e n d s a n dr o t a t e sr o ds t r i n ga n dp o w e ri st h e nt r a n s m i t t e dd o w nh o l e ，w h i c hi nt u r nd r i v e st h ep c p u m p p cp u m pc o n s i s t so ft w op a r t s ：r o t o ra n ds t a t o r t h eh i g hs t r e n g t h ，c h r o m e p l a t e dr o t o r i st h eo n l ym o v i n gp a r to ft h ep cp u m p t h es t a t o ri sak i n do ft u b ew i t he l a s t i cs y n t h e t i c r u b b e rm o l d e di n s i d e av a r i e t yo fe l a s t o m e r i ci sa v a i l a b l ef o rd i f f e r e n ta p p l i c a t i o n s w h e n r o t o rr o t a t e si nt h es t a t o r ，as e r i e so fs e a l e dc a v i t i e sa r ef o r m e da n dt h e s ec a v i t i e sm o v e a x i a l l yf r o mt h ei n t a k ee n dt ot h ed i s p l a c e m e n ts i d e w h e no n ec a v i t yd i s a p p e a r sa tt h e d i s p l a c e m e n ts i d e ，an e wc a v i t yw i l lf o r ma tt h ei n t a k es i d e t h r o u g hc o n t i n u o u sf o r m a t i o n ， m o t i o na n dd i s a p p e a ro ft h e s ec a v i t i e s ，f l u i di st h e nb m u g h tt ot h es u r f a c e m a i na d v a n t a g e s 1 w i d ew e l lf l u i dr a n g e i n c l u d i n gv i s c o u so i lw i t ht h ev i s c o s i t yu pt o5 0 0 0m p a 。s ，h i g hw a xb e a r i n gc r u d eo i la n d h i g hs a n dc u to i lf o rt h es t a t o rh a sr e s i l i e n c et os a n d 2 w i t h o u tg a sl o c k s o l u t i o ng a sc a nn o tb er e l e a s e do u t ，t h ef l u i dm o v e sc o n t i n u o u s l ya n de v e n l ya n di t s i m p o s s i b l ef o rg a sl o c kd u et on ov a l v e si nt h ep u m p 3 h i g he f f i c i e n c y f e wm o v i n gp a r t s ，n ov a l v e sa n dc o m p l e xc h a n n e l s ，l o wh y d r a u l i cl o s ss ot h ee f f i c i e n c y c a nb eu pt o7 0 4 u n i f o r mf l o wa n de a s i l ya d j u s t e d b yc h a n g i n gt h es p e e do ft h es u r f a c ed r i v e ，i tc o u l da d j u s tt h ep u m pf l o we a s i l y 5 w i d ep r o d u c t i o nr a n g e 摘要 d a i l yp r o d u c t i o nc a nb e10t o2 5 0 0b p d 6 s i m p l eo p e r a t i o na n dl o w c o s t s i m p l es u r f a c ee q u i p m e n t ，c o m p a c td e s i g na n d l o wc o s ts ot h ep u m ph a st h e a d v a n t a g e so fs i m p l eo p e r a t i o n ，l i t t l em a i n t e n a n c ea n dl o w e rr u n n i n gc o s t k e y w o r d s ：p cp u m p ；r o t o r ；s t a t o r 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得 的成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致 谢外，本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得 中国石油大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：耋9 兰日期： 年r 月“日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其 印刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关 部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位 论文被查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：丝! 至 指导教师签名： 捆! 乏! 马 日期：叨 日期：昀 年矿月活同 年胡及日 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第一章绪论 1 1 螺杆泵的研究目的与背景 螺杆泵在抽汲高粘度、高含气量和高含砂量的原油中具有非常好的效果，并广泛 使用在油田三次采油的注聚合物工作中。单螺杆式水力机械在井底动力钻具方面的应 用，出现了单螺杆钻具，其在钻定向井、水平井、多底井、深井、超深井、小井径井、 修井和其他作业中，逐渐占据明显的领先地位【l 】。 当油田开采进入后期，其综合含水上升，水油比大幅度提高，吨油能耗也会随之 增高，也就是说会耗费大量的电能。普通管式抽油泵已不能满足增大提液量的需要， 而目前采用的电泵存在着耗电量大、成本高的问题【2 1 。为解决这一问题和提高采收率 以及在高粘度、高含气量和高含砂量更广泛的使用螺杆泵，大排量螺杆泵的研发便应 运而生。 1 2 国内外螺杆泵发展状况及研究方向 单螺杆泵是1 9 3 2 年由法国工程师m o i n e a u 发明，并由德国p c m 泵公司制成产 品。三螺杆泵是1 9 3 1 年由瑞典i m o 公司发明并制造的。近年国外采油( 气) 设备的 发展趋势是向大排量、大功率、耐高温、耐高压的方向发展；向自动化、智能化和遥 控监测方向发展：向具有保护、报警、优化记录及显示功能方向发展；向采油工艺多 适应性方向发展，即能适应含水、含气、含砂、含石蜡、稠油和低渗透油藏的采油需 要，又能满足定向井、水平井和深井采油工艺的需要。并且国外一些制造厂家已经先 后推出了大型单螺杆泵产品。 我国螺杆泵制造和应用的时间较短，泵的制造和配套应用都存在不少问题。我国 天津市工业泵厂子6 0 年代初研制成功船用高压小流量三螺杆泵，并扩展为单、双、 三螺杆泵专业厂。沈阳水泵厂于6 0 年代中期研制生产双、三螺杆泵，7 0 年代研制成 功五螺杆泵。天津工业泵厂于1 9 8 4 年引进德国a l l w e i l e r 公司的制造技术和英国 h o l r o y d 公司的2 a c 螺杆铣床和配套设备后，我国才开始批量生产螺杆泵。比国外整 整落后了2 0 年。在8 0 年代中期的井下螺杆泵是分四段加工的，段与段之间用连杆和 油管短节连接，总长1 6 8 m ，每段定子长1 4 m ，在现场使用中，一是起下作业十分麻 烦；二是配备管柱、杆柱的尺寸要求很严格，提防冲距也较困难，难以保证转子正好 在1 4 m 的定子内，使泵的实际级数减少，泵效和扬程降低；三是4 段泵运转往往不 第一章绪论 同步，是连接转子的连杆变形或被扭断。 8 0 年代末，我国开始生产整体螺杆泵。整体泵的定子和转子不再分段，减少了 连接部件，缩短了长度，改善了泵的运转情况，也方便了现场的施工操作。目前，整 体泵已经取代了分段式螺杆泵。此外，对地面装置也进行了改进，使螺杆泵的转速、 排量可在一定范围内调整，以适应不同井况的需要。采用电控的方法解决了停抽时抽 油杆倒脱扣的问题。在杆柱、管柱上配用专用扶正器和固定锚，解决了扶正和油管倒 扣问题【3 1 。但是时至今日，国内产品基本上局限于小型单螺杆泵，缺乏大型单螺杆泵 产品，且在泵的结构和制造技术等方面有待于改进和提高，并普遍存在泵性能和可靠 性不高的问题，目前的一些石油部门不得不进口这类产品，以满足使用需要。近年来， 国内一些油田相继使用螺杆泵开采高粘度原油，取得了较好的经济效果。部分低产油 田和少数过去认为无开采价值的油田应用地面驱动螺杆泵开发，也见到了明显的效 果。目前，地面驱动并下单螺杆泵已在国内大多油田进行试用和局部推广。针对以上 的各种情况，为赶超国外先进水平，填补国内空白，研制大排量螺杆泵具有重要意义。 1 3 开发设计大排量单螺杆泵所要达到的性能 针对现场对泵的排量及扬程的需要，以及国内外螺杆泵的发展情况，需开发设计 出排量2 0 0 m v d ，扬程6 5 0 m 的大排量螺杆泵。螺杆泵排量的提高可以通过两种途径： 沿用常规单线螺杆泵的设计方法，通过增大泵的结构参数提高排量；采用多线螺杆 泵设计方法，通过增加泵的线数满足排量要求。在螺杆泵线数增加的同时，会产生工 作扭矩增大的现象，扭矩的增加会对整个系统的工作可靠性及寿命有很大的影响【4 】。 根据油田的具体采油情况，选择设计单头单螺杆泵。在螺杆泵的结构设计中，给出具 体的设计计算及结构设计图，以及一些泵的校核计算，并选择合适的橡胶材料。螺杆 泵橡胶材料的选择尤为重要，因为其工作条件受到诸多因素影响。如果选择不当会造 成橡胶的物理性质发生变化，使橡胶过早老化，从而缩短了螺杆泵的使用寿命和限制 其使用范围。国外用于螺杆泵橡胶定子材料主要有：羧基丁腈橡胶、丁腈橡胶与聚氯 乙烯或羧基丁腈橡胶与聚氯乙烯的共混胶以及氢化高饱和丁腈橡胶。结合胜利油田的 采油具体情况，合理选择橡胶材料并加以改进以提高螺杆泵的效率及经济性。 通过对国内外的螺杆泵技术的研究和生产实际的调研，对设计出的单螺杆泵的性 能要达到大排量、中压头、高效率、高的可靠性以及高的使用寿命。 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第二章单螺杆泵的特点及结构原理 2 1 单螺杆泵的特点 6 0 年代中期以来，在石油钻采机械领域里出现了一种新型的水力机械。它的结 构、原理和特性既不同于传统的往复式水力机械，又区别于传统的叶片式水力机械， 叫做单螺杆式水力机械。单螺杆式水力机械在机械采油设备方面的应用，出现了采油 用单螺杆泵，包括电动潜油单螺杆泵、液动式单螺杆泵和井口驱动式单螺杆泵等。 螺杆泵采油系统与其他机械采油设备相比，具有以下优点： ( 1 ) 节省一次投资。螺杆泵与电动潜油泵、水力活塞泵、游梁式抽油机相比，结构 简单、价格低。 ( 2 ) 地面装置结构简单，安装方便，可直接座在井口套管四通上，占地面积小。 ( 3 ) 泵效高、节能、管理费用低。由于螺杆泵是容积泵，流量无脉动，轴向流动 连续、流速稳定，因此它与游梁式抽油机相比，没有液柱和机械传动的惯性损失，是 现有机械采油设备中能耗最小、效率较高的机种之一。 ( 4 ) 适应于高含砂井。一般情况下，在原油含砂量高( 最大含砂量达4 0 ) 的条件下 螺杆泵能够正常上作。 ( 5 ) 适应于粘度变化范围较大的井，可以举升稠油。一般来说，螺杆泵可以举升 粘度为8 0 0 0 m pa s ( 5 0 。c ) 以下的各种含原油流体。 ( 6 ) 适应于高含气井。螺杆泵不会气锁，比较适合于油气混输，但井下泵入口的 游离气体会占据一定的泵容积，降低泵效。 ( 7 ) 允许井口有较高的回压。在保证正常抽油生产情况下，井口回压可控制在 1 5 m p a 内或更高，因此对边远井集输很有利。 ( 8 ) 由于井v t 设备占地面积小，所以适应于海上油田的丛式井组和水平井。 ( 9 ) 螺杆泵管理方便，不增加额外工作量。螺杆泵的管理与抽油机和电泵相比， 未增加额外工作量，且地面驱动设备安装简单，维护和管理更为方便。 虽然螺杆泵采油具有很多优点但在某些方面也存在一定的缺点，具体为： ( 1 ) 定子为橡胶材料，最容易损坏。若定子寿命低，会导致检泵次数增多，螺杆 泵举升技术的经济效益就会下降。 ( 2 ) 螺杆泵需要流体润滑，如果在缺少足够量的液体润滑和散热的情况下工作， 第二章单螺扦幕的特点及结构原理 月慊会因过热而引起定子弹性体老化，甚至烧毁。 ( 3 ) 定子橡胶不适台在注蒸汽井中工作。 “) 与有杆泵相比，总压头较小。目前大多数油田应用在井深1 0 0 0 m 左右的井。 当下泵深度大于2 0 0 0 m 时，扭矩大、杆脱断事故率比较高。技术还不过关。 综上所述，螺杆泵采油技术也和其他举升方法一样，都有其优缺点和使用条件， 各油田可根据开发区块的实际情况进行选择。但是，螺杆泵利用旋转运动实现抽油， 可以弥补其他举升技术的不足，具有良好的经济效益和广阔的应用前景。 2 2 采油用单螺杆泵的类型和结构 类型；目前，采油用单螺杆泵有电动潜油单螺杆泵、液动式单螺杆泵和井口驱动 式单螺秆泵等三种。 下面根据工程需要详细介绍井口驱动式单螺杆泵： 井口驱动式单螺杆泵是一种有杆抽油设备。它由三部分组成：井下部分，地面部 分和联系井下、地面的中间部分。 井下部分由井下单螺杆泵、防反转锚、防脱器和扶正器组成，螺杆泵起着抽油的 主要作用；螵杆泵是井下的主要设备，它由定子和转子组成。其中定子是由橡胶衬套 粘接在钢体外套内形成的而转子是由合金钢调质后经防腐耐磨处理的，定子的磨损 程度直接影响着螺杆泵的使用寿命，经过长期科学研究和现场试验，这一问题已得到 基本解挟。 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 卜一光杆；2 一井口驱动装置；3 一抽油杆；4 一油管； 5 一套管；6 一扶正器；7 井下单螺杆泵 图2 - 1 井口驱动式单螺杆泵 f i 9 2 1w e l l - h e a d - d r i v e np r o g r e s s i v ec a v i t yp u m p 为了实现螺杆泵的定子和转子间的相对转动，在定子下端必须安装防反转锚。当 螺杆泵正常运转抽油时，抽油杆柱带动转子正转，并通过摩擦力带动定子和油管柱正 转，此时连接在定子上的防转锚牙块伸出，与套管咬死，阻止油管柱和定子正转，从 而实现螺杆泵定子和转子的相对运动；反之，当油管柱受到反力矩时，牙块缩回，与 套管松开。不限制油管柱和定子的运动，可进行起下油管柱作业。在下泵的过程中， 先将定子和油管柱下井，再将转子和抽油杆柱下井。此时，由于转于外形为螺旋线， 在下放过程中会发生旋转，而转子和抽油杆柱又连接在一起，若抽油杆柱不旋转势必 会导致抽油杆脱扣。为此，在抽油杆和转子之间需安防脱器或用其他措施来解决这一 问题。 为了使螺杆泵和抽油杆柱保持稳定运转、不发生振动和杆管柱磨损，需在油管柱 和抽油杆柱上分别安装扶正器。扶正器是螺杆泵采油系统中不可缺少的井下配套工 具，可选用金属材料和非金属材料进行制造，其中金属材料的耐磨性一般应低于抽油 杆、油管或套管，通常选为球墨铸铁；而非金属材料通常为尼龙或橡胶。 地面部分有井口驱动装置，安装在井口，起着供给动力，并具有减速、变速和承 受轴向载荷等作用。井口驱动装置可以采用机械传动和液压传动两种型式。机械传动 式井口驱动装置由电动机通过三角皮带和锥齿轮传动，再利用键带动光杆，从而带动 抽油杆柱、单螺杆旋转，使井下单螺杆泵进行抽油工作。抽油杆柱重量和油柱重量通 过光杆和固定螺母( 或光杆卡子) 加在井口驱动装置上。近年来，为了适应高粘度抽 油井的不同丌采要求，开始采用变转速的井口驱动装置，有机械式和变频式两种无级 变速器。机械式无级变速器的成本较低，但传动比系列受限制，不便于遥控。变频式 无级变速器是利用改变电流频率进行变速，如同定转速系统一样装在井口，允许电动 机低速启动，在完全平衡的情况下将转速平滑地增加到最大值，可遥控调节转速。变 频式无级变速器的效率高，达9 0 ，而机械式仅为8 0 。用变频式无级变速器的井 口驱动式单螺杆泵的工作柔性好。 螺杆泵采油系统采用的动力源有电机、柴油机、液压马达等，其中电机通过皮带 第= 章单螺杆泵的特点及结构原理 轮将动力传至驱动装置，操作简便、易于管理，是应用最为广泛的一种；柴油机通过 皮带将动力传给驱动装置，这种方式可用在无电网地区，但管理费用也相应增加，国 内有些油田已采用。地面部分还有驱动头，它是一个减速装置，他将动力源的高转速 降低到适合螵杆泵及抽油杆柱的转速，一般为1 0 0 - 5 0 0 r r a i n ，目前应用的驱动头结 构形式主要有偏置式、平衡式和一体式。其中平街式稳定性好，油田应用较多。螺杆 泵抽吸的液体到达井口，流入集油管线，其井口回压一般应保持1o m p a 左右，咀保 证液体流送到计量间。从工程应用角度考虑，井口盘根密封最低压力不应小于 1 0 m p a ，由于洗井解堵时压力可达1 0 0 m p a ，因此井口密封的短期最大压力应达 t 0 o m p a 。 中间部分是抽油杆和油管，前者将动力从地面传递到井下单螺杆泵，后者用来将 油液从井下输送到地面。 2 3 单螺杆泵的工作原理 单螵杆泵的单螺杆如同螺旋输送机的螺旋桨。如图2 - 2 所示： 图22 单螺杆泵作用原理 n 9 2 - 2 t h e p r i n c i p l e o f p r o g r e s s i v e c a v i t y p u m p 其棱线转动时起着推挤油液前移的作用。为了使单螺杆能有效地推挤油液，给出 一定的流量和压头，必须设计具有内螺旋面的专门衬套。它和单螺杆配合，既在轴向 把油流分割开来，又在径向把油流一分为二。所以，在每个螺杆一衬套副中，螺杆是 单线螺旋面，衬套内表面是取线螺旋面，两者的旋向相同，即同为右旋或左旋。 衬套的断面轮廓是由两个半径为r ( 等于螺杆断面的半径) 的半圆和两个长为4 e 的直线段组成的长圆形。衬套的双线内螺旋面就是由上述断面绕衬套的轴线旋转的同 时，按一定的导程t = 2 t 向前移动所形成的。 当螺杆在衬套中的位置不同时，它们的接触点是不同的。螺杆断面位在衬套长圆 中国石油大学( 华东】工程硕士学位砖文 形断面的两端时，螺杆和成套的接触为半圆弧线；而在其他位置时，螺秆和村套仅有 扎b 两点接触，如图2 - 3 所示。由于螺杆和衬套是连续啮合的，这些接触点就构成 了空间密封线，在衬套的一个导程t 内形成一个密封腔室。当单螺杆转动时，螺杆一 衬套副中靠近吸入端的第一个腔室的容积增加，在它和吸入端的压力差作用下，油液 便进入第一个腔室。随着单螺杆的转动，这个腔室开始封闭，并沿轴向向捧出端移动。 密封腔室在排出端消失，同时在吸入端形成新的密封腔室。由于密封腔室的不断形成、 推移和消失，使油液通过一个一个密封腔室，从吸入端挤到排出端，压力不断升高， 流量非常均匀。 国：移南磺每 图2 _ 3 螺杆衬套副的密封线和密封腔室 f i 9 2 - 3s c r e w b u s h i n g v i c e i m e sa n d s 蚺i e dc h a m b e r 为了进一步说明单螺杆泵中密封腔室的形成、推移和消失的特点，如图2 4 ( a ) 所示。我们沿衬套的轴线，隔一定距离，将螺杆一衬套副一个断面一个断面地剖开， 再将每个断面的衬套长轴沿泵轴线方向相互平行排列，使断面上的a 点( 位于衬套螺 旋线a _ a 上的点) 形成直线a a ，这样就得到了平面展直图，如图2 - 4 ( b ) 所示，它 表明了沿衬套螺旋线a _ a 的螺杆一衬套副问密封腔室在泵轴线方向的变化特点。现在 使螺杆泵转动一个角度，对于任一个断面来说，随着螺杆的转动，螺杆断面中心在村 套断面中作往复运动，螺杆在衬套中的新位置在图b 中用虚线来表示。对比实线和虚 线所表示的螺杆图形，就可以看出：吸入端腔室f 有所增大，因而吸入油液；排出端 腔室a 有所减小，因而排出油液；密封腔室b 、c 、d 、e 从吸入端连续地一个接着一 个地向排出端推移。 第二章单螵杆泵的特点结构原4 在这里，必须搞清单螺杆的螺旋旋向( 左旋或右旋) 、单螺杆的转向( 顺时针或 逆时针) 和油液的流向三者间的关系。如图2 - 2 所示。假设观察者站在螺杆的左端来 看，图上单螺杆的螺旋旋向为左旋，如果单螺杆轴作顺时针方向转动，则油液背着观 察者流动；如果单螺杆轴作逆时针方向转动，则油液迎着观察者流动。这个规则同样 适用于观察者站在螺杆的右端来看的情况。现在将单螺杆的螺旋旋向改为右旋，如单 螺杆轴作顺时针方向转动，则油液迎着观察者流动；而当单螺杆轴作逆时针方向转动 时，则油液背着观察者流动。所以旋向、转向和流向三个因素中，任意两个因素的组 合就确定了第三个因素。 卜一i 一一- q 。隆型鲤警鲤警墅遂墼塑塑兰夔 f 1 _ 孵蔫铆秭：曙靠劢t ；r 礴率蕊z 5 币市豫r 毒晦硎2 渤毋 谫卣。书分电国 书。，杀：。；意潦螽磊。晶：l 未斋 图2 _ 4 螺杆村套副沿村套轴线方向的密封腔室变化图 f 纠s - b u s h i n g b u s h i n g a x i sa l o n g t h ed i r e c t i o no f t h e d e l m t yo f t h e s e a l e d c b s m b e r c h a n g e s i np i n u s 应该指出，单螺杆泵实际上综合了活塞泵和离心泵的优点：在不同的压头条件下 流量改变很小，而且流量非常均匀，加以在工作原理方面的一些特点，给砂、蜡和气 的携带都造成有利条件。和其他类型泵相比，单螺杆泵的运动件很少( 只有一个单螺 杆) ，流道简而短，过流面积大油流扰动小，使它能在高度粘原油中以较高的效率 工作。 中国；油太学( 华东) 工程硕士学位论文 第三章大排量单螺杆泵的设计计算过程 3 1 螺杆泵参数的确定 设计计算中的单螺杆泵结构图可参照图3 - 1 ： ”f r o t o * 图 l 单螺杆泵结构图 f i g lp r o g r e s s i v ec a v i t yp u m pc h a r t 单螺杆泵的理论流量或实际流量与e 、d 、t 和n 四个参数值有关。对现有单螵 杆泵的结构和使用情况进行分析表明，在e 、d 和t 三者之间存在一定的联系，就是 在这三个参数维持一定比值的条件下，单螺杆泵才能保证高效率和长期的工作。 考虑到我国油田太多数油井采用5 如”套管，其通过的套管规外径为士1 2 0 ，在 此种条件下无缝管的规格为巾1 1 4 3 8 最合适，即管子内腔约为巾9 8 ，再者定子橡胶 本身的抗拉强度较差，螺杆泵工作时要求定子橡胶要有足够的抗撕裂能力，注胶时还 要求橡胶与管壁之间有足够的粘附能力和足够的弹性等，单螺杆泵的定子橡胶内腔截 面为长条形，考虑橡胶收缩量等影响，通常设计定子腔内最薄处的橡胶厚度6 8 。 根据所设计的单螺杆泵的要求，泵工作在1 0 0 r p m 时每天排量2 0 0 方，天，计算出 泵每转的排量约为1 4 0 0 m l r ，而泵每转排量q = 4 e d t ，综合起来考虑，选择小径d = 巾4 2 。则定子大径d = 4 e + d = 8 4 。这样一来，在理想状态时，橡胶最薄处的厚度为6 = 7 。 3 1 1 最大扬程的选择 大排量螺杆泵的扬程一是考虑油井的泵挂，二是考虑作业机的最大提升高度。 油井所需要的排量是个变数，不同的油井选择是不同的，因此主要考虑作业机的 最大提升高度就可以了。通常普通作业机的最大实际提升高度确定为h = 1 1 5 一1 1 6 米。 拿定、转子柬说，转子连同提升短节长度1 1 5 米，而定子还必须考虑尾管、提升短 第三章人排量单螺杆泵的设计计算过程 节、下接头的总长度。因此，定子总长度必须控制在1 1 5 1 1 6 范围内，经过计算， 定子主体长度最长不得超过l o 7 米，因此，我们设计的大排量泵的级数可由以下公 式得出： h = t z = 2 4 0 0 z ( 3 1 ) 级数z = 罴娟级 式中卜螺杆泵定子的级数 卜螺杆泵定子的导程，单位m i l l 设计的大排量泵的扬程为h = 6 5 0 米 3 1 2 泵的排量 根据公式q = 4 e d t ，已知e 、d 、t 的数据， 则排量q - 4 2 1 4 2 4 0 0 + 1 0 0 0( 3 - 2 ) = 1 4 1 1 2 m l r 那么我们设计的大排量大扬程螺杆泵的排量规格为g l b l 4 0 0 型，目前我们知道 的国外大排量泵的排量范围q = 6 0 0 1 2 0 0 m l r ，那么，我们的泵排量应当讲是比较大 的了。 表3 - 1 定子、转子尺寸表 他b l e3 - 1s i z e so fr o t o ra n ds t a t o r 定 子尾管转子 型号 总长 b 头部 c 外径d 橡胶端面离e 尾管头部f 头部g 总长h 大径 岫 螺纹 瞳 限位销距离珊螺纹螺纹m_ 6 l b l 4 0 0 - 1 31 0 7 0 04w e审1 1 4：4 0 031 ：e u e；1 9 厶”1 1 2 0 0参6 3 螺杆泵型号的表示方法： l o 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 gl b140o 一一 13 级数13 级 每转排量1 4 0 0 毫升 螺杆泵 杆式 表3 吃g l b l 4 0 0 - 1 3 螺杆泵主要技术参数 t a b l e 3 - 2m a i nt e c h n i c a lp a r a m e t e r so fg l b l 4 0 0 - 1 3p c p u m p 额定排量举升能力 型号 n l rm 3 d 1 0 0 rb b l d - 1 0 0 r级数水柱高皿水柱高f t g l b l 4 0 0 - 1 31 4 0 02 1 0 6 1 2 71 36 5 02 1 0 0 3 1 3 泵的扭矩 由于螺杆泵的吸入端和排出端存在压差，定、转子副中的液体将对转子施加力的 作用，同时，定、转子间存在过盈量，将会对定、转子轴向产生摩擦阻力扭矩。 3 1 4 转子的有功扭矩 定、转子副将机械能转换为液体的压能，若不考虑损失，则由能量转换关系可得 2 m = q a p 则m ：2 e d 。t a p = 16 0 0( 3 - 3 ) 3 1 5 定子与转子问的摩擦扭矩 由于螺杆泵定、转子间存在过盈量，因此，当转子在定子内转动时，定子与转子 就产生摩擦。定子对转子施加摩擦扭矩的作用，其摩擦扭矩m 仃的计算式为 m r ，= f r k ( 6 + 6 。)( 3 - 4 ) 式中 m 什一定、转子间的摩擦扭矩，n m 第三章大排量单螺杆泵的设计计算过程 f r 一定、转子间的摩擦系数， k 一定子橡胶的刚度，n m 6 一定子橡胶在井下条件的膨胀容量，m 6 。一定子橡胶的初始过盈量，m 摩擦扭矩是根据井下的工况不同而变化，一般在1 0 0 - - 一3 0 0 n m 范围内。由于橡 胶成份未确定，暂定摩擦扭矩m 仔= 2 6 0n m 。 综上所述，设计的螺杆泵的总扭矩为 m z = m + m f r = 1 7 2 0 n m ( 3 5 ) 注：根据经验，这个设计计算值应是无润滑状态下的摩擦扭矩值，而实际的摩擦 扭矩应当比该值小一些。 考虑g l b l 4 0 0 1 3 的运转速度为l o o r p m ，由m ，= 9 5 5 x 1 0 6 音 得p ：黑：罂：1 8 o l k w ( 3 - 6 ) 9 5 5 1 0 09 5 5 1 0 3 3 2 泵配套的地面驱动装置的设计计算 3 2 1 电动机的选择及减速比的分配 地面驱动装置的设计简图如图3 2 电动机的选择 查机械设计手册j b 3 0 7 4 8 2 ，选择 y 2 0 0 l 4 电动机，功率p = 3 0 k w ，转速n = 1 4 7 0r m i n ，电压3 8 0 v ，电流为5 6 8 a 。 分配减速比 又设计要求的输出转速为5 0 - - - 4 0 0 r m i n ， 取输出轴的转速为1 7 5 r m i n ，则： 斟 图3 2 地面驱动装置简图 f i g3 2s u r f a c ed r i v ec h a r t s 减速比i - 1 4 7 0 1 7 5 = 8 4( 3 - 7 ) 有皮带减速和齿轮减速的性质以及现实中的情况，分配减速比如下： 8 4 = i 皮带xi 齿轮= 2 4 3 5 ( 3 - 8 ) 1 2 轴 引击，i走扯一年 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 传动各级的相关参数 即：i 皮带= 2 4 ；i 齿轮= 3 5 ( 1 )电动机的输出轴( 轴i ) 功率：p ( i ) = 3 0k w转速：n ( i ) = 1 4 7 0r m i n 扭矩：t ( i ) = 1 0 0n m ( 2 ) 中间传动轴( 轴i i ) 因为皮带传动( 同步带传动，不打滑) 的传动效率一般为9 5 一9 8 ，取效率r l 皮 o - - 9 6 ，i 皮芾= 2 4 ，则： 功率：p ( i i ) = p ( i ) xr l 皮带= 3 0 k w x0 9 6 = 2 8 8k w ( 3 - 9 ) 转速：1 1 ( i i ) = 1 4 7 0r m i n x i 皮帚= 6 1 2 5r m i n ( 3 1 0 ) 扭矩：t ( i i ) = 二- = 4 4 9 2 4 n m p 功 ( 3 ) 输入轴( 轴i i i ) 一般齿轮传动的效率为n 齿轮= 9 5 一9 9 3 ，i 齿轮= 3 5 ，则有： 功率：p ( i i i ) = p ( i i ) xr 1 皮带= 2 8 8x0 9 7 = 2 7 9 4k w 转速：1 1 ( i i i ) = n ( i i ) i 齿轮= r m i n 扭矩：t ( i i i ) = 二= 1 5 2 5 4n m p 融 ( 4 ) 传动中的相关参数列表： 表3 - 2 ：传动参数表 t a b l e3 - 2d r i v ep a r a m e t e rt a b l e 功率扭矩( n m )转速减速比( i ) 传动效率 ( k w ) ( r m i n ) 电机轴( 轴i ) 3 0 1 9 6 31 4 7 0 中间轴( 轴i i ) 2 8 84 4 9 2 46 1 2 52 4o 9 6 输出轴( i i i ) 2 7 9 41 5 2 4 41 7 53 50 9 7 3 2 2 皮带的设计计算及校核 皮带传递的：功率：p ( i i ) = p ( i ) r i 皮带= 3 0 k w x0 9 6 = 2 8 8k w 转速：n ( i i ) = 1 4 7 0r m i n i 皮带= 6 1 2 5r m i n 1 3 第三章大排量单螺杆泵的没计计算过程 扭矩：t ( i i ) = 二_ = 4 4 9 2 4 n m d 缈 确定计算功率p e a 由于使用寿命达三年以上，并每天工作2 4 小时，传动平稳，载荷变动较小，共 况较恶劣，查机械设计表8 6 ，工作情况系数表k a ，取：l 认= 1 4 ，则， p e a23 0k wx1 4 = 4 2k w ( 3 1 1 ) 选择带型 因为在机械传动中，在同样的张紧度的情况下，v 带能比其他带型产生更大的摩 擦力，能传递的功率更大，在机械传动中使用最为广泛，而窄v 带在同样的高度时， 窄v 带的宽度约缩小1 3 ，而承载能力可提高1 5 - 2 5 倍，考虑到要求传递的功率较 大，装置要求紧凑，故选用窄v 带。 确定带轮的基准直径 根据v 带截型，参考表8 3 及表8 7 ，查机械设计图8 9 ，小带轮的转 速转速：n ( i i ) = 1 4 7 0r m i n ，选s p b 型窄v 带，基准直径范围1 4 0 、 3 0 0 咖时，采用轮辐式。 小带轮 基准直径d d = 2 0 0 咖，可采用实心式，根据v 带的基本形式g b l 0 4 1 2 8 9 ，采用 h 型( 即孔板式) s p b 带型。查简明机械设计手册，表2 2 4 ，y 系列基本系列 ( i p 2 3 ) 电动机的外形尺寸及安装尺寸( 见详细的电动机外形尺寸图纸) 如图3 3 ， 电机轮毂直径及联接键查机械设计基础，表8 5 基准宽度 v 带轮的轮槽尺寸：( g b t 1 3 5 7 9 2 ) 轮槽角：巾= 3 6 。 轮槽边距：f m i n = 1 1 5 取f = 1 5 基准线上槽深：h a = 3 5 基准线下槽深：h f = 1 4 0图3 - 3电机轮毂直径及联接键 f i g3 - 3 e l e c t r i cw h e e ld i a m e t e ra n dk e yl i n k 槽间距：e = 1 9 4 基准直径：d = 2 0 0 夕 径：d a = d + 2h a = 2 0 0 + 2x3 5 = 2 0 7 衄 ( 3 2 7 ) 底径：d f = 2 0 0 2h f = 2 0 0 2 1 4 = 17 2m i l l ( 3 - 2 8 ) 槽宽：b = ( z 一1 ) xe + 2 f = 8 8 2( 3 2 9 ) 最小轮缘厚：6m i n = 7 5 ，取6 = 1 0 大带轮 因为带轮与小带轮传递的是同一组皮带，其轮槽的相关参数是相同的，而大带轮 的轮毂直径在后面算出中间齿轮轴的直径才能确定。 3 2 4 齿轮的设计计算 齿轮传动的减速比为i 齿轮= 3 5 ，设计过程中通常按照保证齿轮的齿面接触疲劳强 第三章大排量单螺杆泵的设计计算过程 度进行设计，按齿根弯曲疲劳强度进行校核。 选定齿轮的类型，精度等级，材料及齿数 ( 1 ) 按图l ，传动简图，采用锥齿直齿轮传动。 ( 2 ) 有g b l 0 0 9 5 8 8 ，由于皮带进行了一级减速，齿轮的传动速度不高，故选用7 级精度齿轮。 ( 3 ) 材料的选择由机械设计，表1 0 1 ，常用齿轮的材料及力学性能，选用小齿 轮的材料为4 0 c r ( 调质) ，硬度为2 8 0 h b s ，大齿轮的材料为4 5 # 钢( 调质) ，硬度为 2 4 0 h b s ，二者材料的硬度相差4 0 h b s 。 按齿面接触疲劳强度进行设计 确定小齿轮的分度圆直径 选用国家标准压力角a = 2 0 。 d 1 2 9 2 ( 3 3 0 ) 查机械设计表1 0 6 ，弹性影响系数z e ，配对齿轮的材料都为锻钢，所以，z e = 1 8 9 8 m p a l 2 计算接触疲劳许用应力： h = 竽( 3 - 3 1 ) s 疲劳强度安全系数，对于接触疲劳强度计算，由于点蚀破坏发 生后，只引起噪声，震动增大，并不立即导致不能继续工作 的后果，故可以取：s = s n = 1 k n 应力循环次数影响系数( 又成为寿命系数) ，因为齿轮要求三 年以上，每天2 4 个小时不停的运转，所以： n = 6 0 n j l h( 3 - 3 2 ) 小齿轮： n 1 = 6 0 6 1 2 5 r m i n l ( 3 6 0 2 4 3 ) = 9 5 3 1 0 8 ( 3 3 3 ) 大齿轮；n 2 = n i i 齿轮= 3 5 = 2 7 2 1 0 8( 3 - 3 4 ) 查机械设计，图1 沪1 9 接触疲劳强度寿命系数k h n j 、齿轮( 4 0 c r ) k h n l = 0 9 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 大齿轮( 4 5 | ) k r m 2 = 0 9 2 计算出大小齿轮的接触疲劳强度许用应力： j 、齿轮： o - 1 】= 掣= t 0 9 x 6 0 0 _ 5 4 0 m p a ( 3 - 3 5 ) 大龇 o - 1 】= 丝警= t 0 9 2 x 5 5 0 - 5 0 6m p a ( 3 - 3 6 ) 其中：o l i m 为齿轮接触疲劳极限，查机械设计，图l o - - 2 1 ，按齿面硬度查得； 小齿轮：o - l i m l = 6 0 0 m p a 大齿轮：o l i m 2 = 5 5 0 m p a 锥齿轮传动宽度系数：r ，一般情况下，o 2 5 r o 3 5 ，设计时通常取 r = 1 3 载荷系数k k = k 爿k v k o t k p( 3 - 3 7 ) k 爿使用系数，查机械设计表1 0 _ 屯，使用系数k 爿，由于 原动机为电动机，运转平稳，取k 爿= 1 0 0 勋动载荷系数，( 初选) 由于经皮带一级减速后，其线速度一般 小于第一级，由机械设计图l 卜8 ，取k v = 1 2 k 口齿间载荷分配系数，因为经表面硬化的直齿轮，精度等级为 7 级，查机械设计表1 0 3 得出：k 口= 1 0 0 邸齿向载荷分布系数，机械设计表1 0 4 ，接触疲劳强度计 算用齿向载荷分布系数k h 。简化计算公式，调质齿轮，精度 等级为7 级，悬臂式： k h b = 1 12 + 0 18 ( 1 + 6 7 r 2 ) r 2 + 0 2 3 1 0 3 b o r 为齿宽系数，r = 1 3 ，0 2 3 1 0 。b 计算结果很小， 可以忽略不计。 则： k h 口= 1 1 5 所以载荷系数： k = k 彳k v k a k p2 1 0 0 1 2 1 0 0 1 1 5 = 1 3 8 6 ( 3 - 3 8 ) 1 9 第三章大排量单螺