（机械工程专业论文）地面单螺杆式增压注水泵的设计计算.pdf

d e s i g na n d c a l c u l a t i o no ns i n g l es c r e wb o o s t e r p u m p f o rw a t e r f l o o d i n go nt h eg r o u n d at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo f e n g i n e e r i n gm a s t e r c a n d i d a t e ：l o ug a n g s u p e r v i s o r ：p r o f l iz e n g l i a n g c o l l e g eo f m e c h a n i c a l & e l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo f p e t r o l e u m ( e a s t c h i n a ) 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浦 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：日期：弘i j 年j 月孑口日 、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 指导教师签名： 日期：，7 年岁彤矿日 日期：伽，) 年古月多汐日 摘要 本设计将目前已经在石油采油等领域得到广泛应用的单螺杆式泵，应用于增压注水 泵。拟发挥单螺杆泵的结构简单，流量均匀，压力稳定，易损件少，成本低等诸多优点， 为满足注水单井的高压需求，提高油田注水系统效率，降低注水能耗及成本，做出新的 尝试。 设计采用两个螺杆衬套副，对称布置，以平衡单螺杆泵的较高的轴向力，通过该设 计，可以免去止推轴承设计，而且，增大了泵的流量。 采用中间进水，两端出水方案，则两端高压，中间低压，两螺杆衬套副之间，需要 安装耐轴向压力的万向联轴器。设计采用瓣式万向联轴器，其芯部的定位球，可承受轴 向压力载荷。 多头单螺杆泵较单头单螺杆泵，有着多方面优势，设计采用运动比值为2 3 的双头 设计，采用短幅内摆线的外等距曲线作为衬套的齿形曲线，其共轭曲线作为螺杆的齿形 曲线，并对型线多个特征参量进行了针对性分析和设计，在保证使用寿命的前提下，充 分发挥螺杆衬套副的机械水力性能。 传动轴端采用挠性轴连接和填料密封设计，并设计了配套的减速箱。 关键词：增压注水泵，双头单螺杆泵，对称设计，瓣式万向联轴器，挠性轴， 减速箱 d e s i g na n dc a l c u l a t i o no ns i n g l es c r e wb o o s t e rp u m p f o rw a t e r f l o o d i n go nt h eg r o u n d l o ug a n g ( m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y ) d i r e c t e db yp r o f l iz e n g l i a n g 。a b s t r a c t i ti sd e s i g n e df o rs i n g l es c r e wp u m p sw h i c ha r eb e i n gd e v e l o p e df a s t 、析mi t si n c r e a s i n g a p p l i c a t i o ni nt h ef i e l do fo i le x t r a c t i o ni n d u s t r y , t ob eu s e df o rb o o s t e rw a t e r f l o o d i n g w i t h t h ea d v a n t a g e so fs i m p l es t r u c t u r e ，u n i f o r mf l o w , s t a b l ep r e s s u r e ，l o n gl i f et i m ep a r t sa n dl o w c o s t ，s i n g l es c r e wp u m p sp r o v i d eu san e wi d e at om e e tt h er e q u i r e m e n to fh i g hp r e s s u r e ， i n c r e a s et h ee f f i c i e n c yf o rp u m ps y s t e ma n dr e d u c et h ee n e r g ye x p e n d i t u r ea n dc o s to f w a t e r f l o o d i n g t h e r ea r et w os i n g l es c r e wp u m p ss y m m e t r i c a l l y , w h i c ha r ed e s i g n e dt oc o u n t e r b a l a n c e t h ea x i a ld i r e c t i o nf o r c ew i t h o u tt h et h r u s tb e a r i n g s a n dt h ef l o wi st w ot i m e so fe i t h e r t h ew a t e ri n f l o w sf r o mt h em i d d l ew i t hal o w e rp r e s s u r e ，a n do u t f l o w st ob o t hs i d e s 、) ，i mah i g h e rp r e s s u r e s oi ti sn e c e s s a r yt om o u n tt h ek i n do fu n i v e r s a lc o u p l i n g s ，w h i c hc a l l s u s t a i nt h ep r e s s u r e w i t ht h eb a l lo r i e n t e di n t h ec e n t r e ，t h el o b et y p ec o u p l i n g si sb e l i e v e dt o b et h er i g h tc h o i c e i ti st h ed o u b l eh e l i xs i n g l es c r e wp u m p ，w h i c hh a sv a r i o u sa d v a n t a g e sc o m p a r e dw i t h t h es i n g l eh e l i xs i n g l es c r e wp u m p t h ec u r t a t eh y p o c y c l o i di sc h o s e nt ob et h eo r i g i n a lf l a n k p r o f i l eo fs t a t o r , a n dt h ec o n j u g a t et o o t hp r o f i l e st ob et h ef l a n kp r o f i l eo ft h er o t o r f o rt h e p u r p o s et oi n c r e a s et h ew o r k i n gl i f ef i r s t l ya n dd e v e l o pt h ef u n c t i o ns e c o n d l y , s o m ek e y p a r a m e t e r sa l ea n a l y z e da n dc a l c u l a t e d f u r t h e r m o r e ，t h ef l e x i s h a f la n dt h es e a lh a v ea l s ob ed e s i g n e d ，a n ds oi st h er e d u c e r k e yw o r d s ：b o o s t e rp u m pf o rw a t e r f l o o d i n g ，d o u b l eh e l i xs i n g l e s c r e wp u m p s ， s y m m e t r i c a ld e s i g n , l o b et y p ec o u p l i n g s ，f l e x i s h a f l ，r e d u c e r n 1 5 5 创新性分析。7 1 6 泵的原始设计及特性参数7 第二章单螺杆泵的工作原理及型线理论8 2 1 单螺杆泵的工作原理及基本公式8 2 1 1 单螺杆泵工作原理概述。8 2 1 2 单螺杆泵运动比值分析。9 2 1 3 多头单螺杆泵基本公式1 0 2 1 4 单螺杆泵的能量损失1 0 2 2 多头单螺杆泵的型线理论1 1 2 2 1 摆线1 2 2 2 2 等距曲线。1 2 2 2 3 共轭曲线13 2 2 4 不同型线分析1 4 第三章螺杆衬套副的设计计算1 5 3 1 螺杆衬套副端面型线的设计计算1 5 1 l 1 4 4 5 5 6 6 6 7 7 7 3 1 1 螺杆衬套副结构参数分析1 5 3 1 2 螺杆衬套副结构参数计算1 8 3 1 3 螺杆衬套副端面型线方程1 9 3 2 螺杆衬套副的轴向力计算2 0 3 3 衬套的设计计算2 1 3 3 1 衬套材料选型i 2 1 3 3 2 螺杆衬套副的摩擦分析2 2 3 3 3 初始过盈量的设计计算2 2 第四章万向联轴器的的设计计算2 4 4 1 万向联轴器概述2 4 4 1 1 万向联轴器的种类2 4 4 1 2 万向联轴器的离心惯性力2 5 4 2 瓣式万向联轴器的设计计算2 6 4 2 1 瓣齿的结构参数2 6 4 2 2 瓣齿的受力分析2 7 4 2 3 瓣齿的校核计算3 0 4 2 4 补充计算及说明3 1 4 3 挠性轴的设计计算3 2 4 3 1 挠性轴的受力分析3 2 4 3 2 挠性轴的校核计算3 4 第五章传动轴总成的设计计算3 6 5 1 密封的选型计算3 6 5 1 1 密封选型3 6 5 1 2 填料密封的设计计算3 6 5 2 传动轴的设计计算3 7 5 2 1 传动轴功率和转矩计算3 7 5 2 2 传动轴的结构设计3 7 5 2 3 传动轴的校核计算3 8 5 3 轴承的设计计算3 9 第六章驱动装置的设计计算4 0 i v 4 0 4 0 4 0 4 0 4 0 4 1 4 2 4 2 4 3 4 3 4 4 4 6 4 8 4 9 5 2 攻读硕士学位期间取得的学术成果一5 9 致 谢6 0 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 1 1 课题的研究背景 第一章绪论 作为最广泛的石油开发方式，目前，注水技术在国内外各大油田被普遍采用。尤其 是随着油田的持续开发开采，地下开发油层中的原油和天然气储量不断降低，随之而来 的是，地下油层能量不断降低，压力持续减小，无法达到要求的驱油压力，因此，油井 的产量随之不断下降，部分油层压力亏空较大的油井甚至出现停产现象。目前普遍采取 的做法是，当油层开发到一定阶段后，便人工向开发油层注入高压水来及时补充地层能 量，弥补地下因开采造成的亏空，保证油层达到满意的驱油压力，维持油井油田的持续 高产。可以说，注水对目前油田提高原油采收率，保证采油速度，保证稳产高产具有重 要的作用和意义【1 1 【2 1 。 目前，普遍采用的注水方案是，在待注油田附近选择合适地点，建立大型的注水泵 站，内部安装巨型大功率大排量水泵，外部用管网系统把油井与注水泵站连接，注水用 水经注水泵升压后，再由管网向各注水井输送。一个这样的泵站一般可以管辖数十口， 甚至上百口油井【3 1 。 但是，这样的大型中央泵站系统并不能一劳永逸的解决所有油层的欠压问题，原因 主要是由于各井注水压力要求存在严重的不均性，即使在同一油藏区块，地下地质构造， 油层及油藏的物理性质也总是千差万别，经常会有孔隙小，渗流阻力大的低渗透油藏出 现，普通的注水压力很难达到这种油藏的压力要求，因此，要求的注水压力差异很大， 显然大型注水站系统难以同时满足所有油井的注水要求 4 1 。 增压注水泵的出现解决了这一问题。在高压欠注区块或欠注单井旁边，安装增压注 水泵，将注水站来水注入增压注水泵，经过再次升压后，才将水注入到油层，使其满足 油井压力要求。通过应用增压注水技术，很好的解决了注水区块压力要求不均的问题， 使得众多停产多年的油井恢复产油，有力地保证了油井的开采速度和产量【5 】。 1 2 国内外增压注水泵的研究现状 国外很早就开始了增压注水泵的设计研制工作，美国在这方面的技术一直处于世界 的领先地位。上世纪八十年代，美国又研制出了多种新型的增压注水泵用于油井开发， 包括多种容积式泵，电动潜油泵和垂直涡轮泵。其中，应用最广泛的是一种卧式水平离 第一章绪论 心泵，这种泵根据注水排量和压力要求的不同可以任意配置泵的级数，使用安装灵活方 便。该型泵结构设计上显著地特征还包括止推轴承脱离泵部分分开布置，并采用了两个 机械密封装置f 6 】【7 】【8 】。 上世纪七八十年代，我国各大油田在经过一段时期的开发开采后，油井的采收率不 断下降，加之采油驱油技术相对落后，因此采收率下降很明显。同时，部分注水单井和 注水区块欠压问题越来越严重，当时，人们就已经认识到发展增压注水技术的重要性和 紧迫性。增压注水泵受到相关部门，众多研究所和厂家的重视，投入了大量的人力物力， 进行增压注水泵的设计研发，经过多年的研发探索试验，多种泵型相继投入正式生产， 并进入国内各大油田。到目前为止，增压注水泵的设计已经趋于成熟和稳定，泵的种类， 设计已经形成相当的规模，有数十个产品类型，可以满足国内各大油田的增压注水需求。 近些年，设计研发新的增压注水泵型，已经很少有文献涉及。 按泵的基本工作原理分类，增压注水泵主要可分为离心式和往复式： ( 1 ) 离心式增压注水泵 离心式增压泵的设计始于上世纪六十年代，在那时候，就已经对离心增注进行了可 行性讨论分析，经过二十多年的设计研发试验，陆续开发出多个系列产品。离心增压泵 技术也逐渐趋于成熟。 离心式增压注水泵的主要优点有： 1 ) 输出流量均匀，平稳，额定流量大，可通过调节排出阀调节流量； 2 ) 无阀，易损件少，无往复运动惯性力，使用寿命长； 3 ) 结构紧凑，泵体相对较小，制造安装成本低，维修费用少。 离心式泵的最大缺点是泵效过低，仅仅5 0 多的泵效浪费了大量的电能，这个问题， 很大程度上影响了离心式泵的发展。同时，泵的工作原理决定了离心式泵很难提供高的 出口增压，最先进的泵型也只能达到5 m p a 左右，因此，离心式增压泵一般都采取多级 串联安装，以达到压力要求。 近些年，有文献报道的离心式增压注水泵的新型设计很少，研究主要集中在对动力 端的新型驱动方式的尝试和对泵运行环境或布置方式的改变方面，泵的核心结构设计已 经少有新的发展。总结来说，主要有：管道式电动机多级泵，倒置式电潜泵和磁传动水 平泵，这些研制成功的新型泵，对动力驱动方式和泵体布置结构进行了优化设计，但都 没有能从根本上克服离心式泵的主要缺陷，过低的泵效和压力仍是制约离心式增压注水 泵发展的最大障碍【9 】【1 0 1 。 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 ( 2 ) 往复式增压注水泵 另外一种被大量使用的增压注水泵型，就是往复式泵，这也是目前各大油田使用最 多的泵型，可分为刚性架式和差动柱塞式。我国往复式增压注水泵的发展也已经有相当 长的历史，这期间，陆续设计出多种泵型系列，有很成熟的设计应用技术和经验。 往复式增压注水泵的主要优点是： 1 ) 有效压头高，可满足高压注水要求； 。 2 ) 泵效高，可达8 0 左右。 但大多数往复式增压注水泵的实际运行效果并不理想，其中的影响因素很多，它们 共同缺点是由往复式泵的结构特点和工作原理决定的： 1 ) 流量相对较小； 2 ) 结构复杂； 3 ) 密封要求高，有泵阀易损件，使用寿命低 具体来说，又各有其不同的特征。传统的往复式增压注水泵按照动力端传递方式的 不同可分为三种类型：曲柄连杆式、摆杆绳传式和偏心轮导向架式： 曲柄连杆驱动的往复泵是我国使用最普遍的往复式增压注水泵，其最主要的问题 是，摩擦副过多，对润滑和密封的要求比较苛刻，使用寿命低。 摆杆绳传式驱动的往复泵的主要问题是，振动噪声大，摆杆和钢丝绳的寿命较低。 偏心轮导向架式的往复泵最主要的问题是，摩擦副较多，对导向架刚度要求苛刻， 使用寿命较低，效果不理想。 此外，以上三种泵都是采用的高冲次，短冲程设计，这也造成了泵阀等易损件和密 封的寿命很短，严重影响了泵的使用效果和正常工作【l l 】。 为了解决动力端的种种问题，国内还专门设计开发了液压驱动式增压注水泵，该类 型往复泵，利用液压结构设计代替了传统的机械传动机构，实现了泵的无冲击，平稳工 作。同时，采用了长冲程结构，大大降低了循环工作次数，减低了噪声，延长了泵阀和 密封的使用寿命。液压式往复泵从根本上解决了机械传动式泵的许多不足，但是，在获 得液压系统的众多优势的同时，这种泵也带来了液压系统种种缺陷，该泵对冷却，环境， 操作，密封以及动力油洁净度都有严格的要求，这在一定程度上，制约了该种泵的发展 和普及，并且，这种泵的液力端仍然是往复式结构，这也就意味着，流量相对较小，寿 命低，结构复杂等等不足仍旧无法得到克服【9 】【1 2 1 。 3 第一章绪论 1 3 单螺杆泵的发展研究现状 自上世纪三十年代，法国人设计出第一台螺杆泵以来，经过几十年的研究和探索， 螺杆泵理论水平和应用技术都已经有了大幅度的发展提高，螺杆泵的应用范围和领域越 来越广泛。由于单螺杆泵对工作输送介质的物理化学性质的要求很低，可以用于输送含 有固体颗粒的液体，酸碱盐液体以及不同粘度的液体，如纸浆、污水、泥浆和果酱等， 因此，现在被广泛应用于环保、石油化工、生物工程、建筑、污水处理、采矿、食品、 制药和造纸等工业领域，作为燃油泵、封液泵、输送泵、滑油泵和液压泵等。单螺杆泵 与离心泵、往复泵，齿轮泵等比较在多个方面具有明显的性能优势，其应用范围越来 越广，需求量逐年增长。 单螺杆泵在石油石化行业某些领域具有不可替代的作用： ( 1 ) 单螺杆式采油机械 与利用往复泵原理进行采油的传统采油机械相比，单螺杆式采油泵因其特有的啮合 容积式作用原理，在汲取高粘、高砂、高气原油方面具有明显的优势，成为众多油田区 块的采油首选机械。按驱动方式，单螺杆采油泵可分为：地面驱动式，电动潜油式和液 压驱动式。 ( 2 ) 地面油气混输 基于同样的作用原理，单螺杆泵现在被广泛用于输送物质形态，物理化学性质差异 很大的原油天然气混合物。近些年，单螺杆式油气混输设备一直是石油流体机械领域研 究的热点【1 3 】【1 4 】。 1 3 1 国外单螺杆泵的研究现状 近些年来，国外在单螺杆泵设计领域的研究成果，主要是在结构改进和新材料的应 用方面，主要有： ( 1 ) 金属定予设计 定子用金属材料加工，转子材料则是采用高铬钢材料，并在表面覆盖特种橡胶，这 种设计，提高了单螺杆泵的单级压力，缩短了单螺杆泵的轴向长度。 ( 2 ) 多吸入口螺杆泵设计 采用多吸入口设计，用于汲取高粘度，高含砂的原油，经实际使用，取得了很好的 效果。 ( 3 ) 等壁厚定子设计 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 定子的等壁厚设计，提高了定子的散热效率，减小了工作副的摩擦扭矩，提高了泵 的机械效率，既节省了材料还改善了性能，取得了很好的使用效果。 ( 4 ) 合成材料定子设计 该设计采用建立在大量实验基础上研制成功的复合材料制作螺杆泵定子，很大程度 上改善了定子的耐磨性能【1 5 】【1 6 】【17 1 。 1 3 2 国内单螺杆泵的研究现状 国内对单螺杆泵的研究是多角度，多领域的。 ( 1 ) 从运动仿真及力学特性研究入手，进行结构优化设计 多所高校从这个角度着手，针对摩擦扭矩、容积效率、机械效率等性能参数，对单 头单螺杆泵转子型线、定子型线、进行了更细致的有限元分析和改进设计，并从理论上 验证了等壁厚定子设计的优越性1 8 1 2 0 1 。 ( 2 ) 多头单螺杆泵端面齿形曲线分析 从运动分析、接触点相对滑动速度及接触状况，齿形曲线综合曲率及作用力等多角 度综合分析，统筹考虑，针对以普通内摆线和短幅内摆线为骨线的螺杆衬套副型线，选 定了性能评价指标，论证了型线设计参量最优取值。 ( 3 ) 定子橡胶接触磨损分析 对螺杆衬套副接触磨损进行了量化处理，对过盈量等参数进行优化，同时在金属定 子，等壁厚定子设计方面也进行了很多计算研究【2 5 1 。 ( 4 ) 电动潜油螺杆泵相关部件结构设计及理论分析 在电动潜油螺杆泵的设计研发方面，从系统设计、运动仿真、加速器优化设计、联 轴器优化设计等众多领域，都取得了一定的研究成果。 1 3 3 单螺杆泵的研究方向 目前，国内的自主设计研发的单螺杆泵产品基本上局限于小型泵，大型单螺杆泵产 品多是引进的国外的先进设计，缺乏自主知识产权的大型泵产品；并且在单螺杆泵的加 工制造技术方面相对落后，国内生产的定子材料使用寿命普遍较低，不能满足长周期运 行，同时，机械加工的精度低下，致使，生产出的产品与国外同类型产品比较，性能和 可靠性的差距明显。这些因素一直制约着国内单螺杆泵制造、应用和发展，因此，目前 国内很多行业领域的单螺杆泵产品还是依赖于进口。总结一下，今后我国的单螺杆泵领 域的研究重心应集中在以下几个方面【2 0 】【2 l 】： 5 第一章绪论 ( 1 ) 提高输出特性：设计研发具有更大的额定功率、更高的输出压力、更大的额定流 量的单螺杆泵【1 9 1 。 ( 2 ) 单螺杆泵端面齿形曲线的研究：对现有的型线的结构参数进行更优化分析设计， 同时，在现有的较成熟的摆线和其他曲线的研究经验基础上，努力探索其他的曲线设计， 以实现更好的机械性能和密封性能等。 ( 3 ) 研制制造单螺杆泵的新型材料和新工艺设备，延长单螺杆泵的使用寿命，拓展新 的应用领域：研究发明新型的单螺杆泵材料，主要包括新型的定子橡胶材料，应致力于 使其具有更优良的耐腐耐磨耐高温的性能，使其能够胜任更恶劣的工作介质、潜油等工 作环境和新式的更深的采油及钻井工艺的要求；另一方面就是研究提高改善转子金属材 料的表面处理加工性能的新工艺及新设备。 ( 4 ) 工作原理及理论分析方面：诸如单螺杆泵的端面曲线尺寸、导程、级数等特征参 量对泵的输出特性及效率的影响；螺杆衬套副材料及其表面摩擦系数、液体的性质及粘 度，工作载荷等与泵的工作过程中的摩擦转矩损耗的关系；螺杆衬套副的初始过盈量及 工作中实际的过盈量对输出特性及效率的影响等方面都需要进行更深入的研究和探索。 ( 5 ) 现代通讯、计算机和自动控制技术的加入：采用计算机软件技术，使单螺杆泵的 设计制造向自动化的方向发展，同时利用通讯技术、控制技术，加强对单螺杆泵的远程 监测和自动控制领域的研究和应用 2 2 1 1 2 3 1 2 6 1 。 1 4 课题的研究目的及意义 课题拟设计单螺杆式增压注水泵，以满足油田注水单井的高压需求，并发挥单螺杆 泵结构简单，流量均匀，压力稳定，易损件少，成本低的综合优势，为增压注水泵提供 一种新的选择，对丰富增压注水泵类型，改善注水系统性能，降低注水能耗，提高采收 率都具有重要的意义2 4 】。 1 5 课题的研究内容及创新性 1 5 1 泵体的结构方案设计 ( 1 ) 单螺杆式增压注水泵由螺杆衬套副总成、万向联轴器总成、传动轴总成组成。 ( 2 ) 高压设计，必然带来很高的轴向力，采用两个旋向相反的螺杆衬套副对称布置结 构，以达到平衡轴向力，免去止推轴承的目的1 2 7 1 ，如图1 1 所示。 ( 3 ) 两螺杆衬套副之间采用能够承受轴向载荷的万向联轴器。 6 1 5 4 设计图纸绘制 ( 1 ) 应用s o l i d w o r k s 软件完成单螺杆泵及减速箱的三维建模 ( 2 ) 应用a u t o c a d 软件完成单螺杆泵及减速箱的设计图纸绘制 1 5 5 创新性分析 ( 1 ) 设计单螺杆泵用于增压注水，丰富了增压注水泵的类型。 ( 2 ) 采用两个螺杆衬套副对称布置设计，平衡了轴向力，免去了止推轴承结构。 1 6 泵的原始设计及特性参数 ( 1 ) 注水站来水压力p l = 1 2 m p a ，流量能够满足需求。 ( 2 ) 注水层射孔中段深度h s = 2 0 0 0 m ，注水层压力p 注= 4 0 m p a 。 ( 3 ) 要求注水流量q = 1 5 0 m 3 d 。 ( 4 ) 充分考虑沿程压力损失，设计增压卸：1 0 m p a ，可满足设计需要。 - 7 一 第二章单螺杆泵的工作原理及型线理论 2 1 单螺杆泵的工作原理及基本公式 2 1 1 单螺杆泵工作原理概述 单螺杆泵是一种内啮合的容积式泵，主要由带有外螺旋面的转子( 螺杆) 和内螺旋 单头单螺杆泵的转予的端面齿形曲线是半径为r 的圆，端面圆的中心( 圆心) o l 与整个螺杆的中心0 2 相差的偏心距为e ，将这个端面圆按照导程，绕螺杆中心轴线0 2 做螺旋运动，就形成了螺杆的空间形状。单头螺杆的任意截面都是半径为尺的圆，其外 表面具有单头螺纹，其结构如图2 - 1 所示。 r 丌价i 励赫 厂、 匠：、z ：药。 、。、l 抛渺一 图2 - 1 螺杆 f i 9 2 - 1 s c r e w 与之配合的，单头单螺杆泵的定子的端面齿形曲线是一所谓的长圆形，由三部分组 成，两端是半径为r ( 等于螺杆截面圆的半径) 的半圆，中间部分是长为4 p 的矩形。 这个长圆形绕衬套的轴线0 2 按导程2 f 做螺旋运动所形成的表面就是衬套的内表面。单 头螺杆泵的衬套的任意截面都是这样的长圆形，其内表面具有双头螺纹，其结构如图2 2 所示【2 8 1 。 图2 - 2 衬套 f i 9 2 - 2b u s h i n g 8 孱率辩1 陂：叫平h ： 卜 u ：艾7 么：z 。 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 单螺杆泵的螺杆和衬套是连续啮合的，他们的接触点连接起来就构成了空间的密封 线，于是在衬套的每个导程内都会形成一个密封腔室。随着螺杆的转动，密封腔室会随 之发生移动，液体便由于密封腔室的运输，从吸入端推挤到排出端，整个运输过程，流 量非常均匀。同时，在流动过程中，液体压力也随之不断升高口9 】。 目前油田上使用的国产单螺杆抽油泵的定子一般是在壳体内注压橡胶制成，橡胶最 常用的是丁腈橡胶，壳体是由优质钢材料制成；转子材料通常是选用高强度钢，表面还 需进行镀硬铬处理以提高强度及硬度。 2 1 2 单螺杆泵运动比值分析 单螺杆泵运动比值的定义式为： 江王 ( 2 1 ) z s 其中：而一螺杆的头数或线数； 虿一衬套的头数或线数。 图2 1 所示为单头螺杆，图2 2 所示为双头衬套，它们组成的单螺杆泵的运动比值 为i = 1 2 ，即所谓单头单螺杆泵。如图2 3 所示为运动比值i = 5 6 的螺杆衬套副端面。 图2 - 3i = 5 6 端面 f i 9 2 3 i - - 5 6c r o s ss e c t i o n 目前，除了被广泛采用的单头单螺杆衬套副，运动比值为2 3 、3 4 、5 6 、9 1 0 的螺 杆衬套副也被大量使用。 与单头单螺杆泵相比，多头单螺杆泵具有下列优点： ( 1 ) 多头单螺杆泵具有更高的容积效率。泵径相同的双头单螺杆泵比单头单螺杆泵的 容积效率一般能够提高5 一1 0 。 9 第二章单螺杆泵的工作原理及型线理论 ( 2 ) 多头单螺杆泵能够明显降低定子橡胶厚度的不均匀性，从而改善定子橡胶的散热 能力，有利于延长橡胶及整个螺杆泵的使用寿命。 ( 3 ) 在输出特性参数一定的条件下，多头单螺杆泵具有更小的工作截面面积和更低的 转速，有效地降低了轴向力。 ( 4 ) 在输出特性参数一定的条件下，多头单螺杆泵具有更小的偏心距。偏心距的减小 可以提高单螺杆和主轴联接部件的使用寿命【3 0 】【3 2 1 1 3 3 】。 综合考虑，本设计采用运动比值i = 2 3 的双头单螺杆衬套副。 2 1 3 多头单螺杆泵基本公式 实际流量公式： q = q 7 ，= v o r l ，= f o 疋z ，r i ，( 2 - 2 ) 压头公式： 卸= 锄z ( 2 3 ) 其中：q 广泵的理论流量； 叩，广泵的容积效率； ，广泵的输入转速； 珩一螺杆衬套副一转的液体排量，即工作容积： v o = f o i ；z ， ( 2 4 ) r 一端面过流面积； 野一衬套导程； 乃一螺杆线数； p ，卸i 厂分别为螺杆衬套副的总压头和单级压头； z 一衬套的导程数或螺杆衬套副的级数。 2 1 4 单螺杆泵的能量损失 单螺杆泵是实现机械能向液体能转换的机械。在能量的转换中，必然会有能量的损 失，单螺杆泵的能量损失主要包括容积损失和机械损失两部分。 ( 1 ) 容积损失： 容积损失是由于部分获得了转换能量的液体发生泄露而产生的能量损失，单螺杆泵 中引起容积损失的液体泄露主要包括两部分，一部分是在螺杆的转动过程中，高压密封 腔内的液体沿着密封线向低压腔的窜流引起的，另一部分是指泄露到泵外的那部分液 1 0 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 体。因此，可以知道，单螺杆泵的容积损失取决于密封腔间的压力差和螺杆衬套副之间 的过盈值。容积效率计算公式： 驴宇 p 5 ， 其中：q 广泵的理论流量； r 液体漏失量。 ( 2 ) 机械损失： 机械损失是指消耗在机械摩擦上的那部分能量损失。单螺杆泵中的机械摩擦主要发 生在螺杆衬套副、万向联轴器、密封以及轴承部位。机械效率的计算公式： ”惫 亿6 ， 其中：f 一泵的理论功率； 心广泵轴上输入功率，计算公式为： 心= n t + 。= m ，国+ m f o ) ( 2 - 7 ) 其中：m r 机械损失功率； 晒一理论转矩； 卜摩擦转矩； 积r 泵轴角速度。 从理论上分析，单螺杆泵的摩擦转矩主要与螺杆衬套副的过盈值、主轴上的负载转 矩和定子与转子的材料的摩擦系数强相关，但单螺杆泵的实际使用工况条件，诸如工作 介质，环境温度，安装方向等也对摩擦转矩的有很大的影响。由于螺杆泵的使用工况千 差万别，因此，对于摩擦转矩，应该在理论分析计算的基础上，通过现场试验加以检测， 才能得到比较准确的数值【2 8 】【3 l 】。 2 2 多头单螺杆泵的型线理论 螺杆衬套副的端面齿形曲线简称型线。单螺杆泵的螺杆和衬套的型线是一对线数相 差一的共轭曲线。型线的设计从根本上决定着螺杆衬套副的各种性能。目前，普遍采用 摆线的等距曲线及其共轭曲线作为多头单螺杆泵的端面齿形曲线，普遍认为两种型线较 为合理： ( 1 ) 短幅内摆线的外等距曲线作为衬套的原始齿形曲线，其共轭曲线作为螺杆的齿形 第二章单螺杆泵的工作原理及型线理论 曲线； ( 2 ) 短幅外摆线的内等距曲线作为螺杆的原始齿形曲线，其共轭曲线作为衬套的齿形 曲线【2 8 】【3 0 1 。 2 2 1 摆线 定义：一个半径为r 的圆( 滚圆) 沿一个半径为r ( 导圆) 的圆作相对的纯滚动， 则滚圆平面上的任意一点在导圆平面上的轨迹就称为摆线，这个点称为动点或发生点。 按照动点在滚圆平面上的位置的不同，摆线可分为： 普通摆线动点在滚圆的圆周上( k = - i ) 短幅摆线动点在滚圆内部( j j 1 ) 长幅摆线动点在滚圆外部( k 1 ) 其中，摆线的变幅系数： k = 二- ( 2 8 ) ， 口 r 滚圆半径； r 摆线的动点距，即动点到滚圆中心的距离。 按照导圆和滚圆的相对位置不同，摆线可分为： 外摆线滚圆在导圆之外 内摆线滚圆在导圆之内 外摆线方程： x = ( r + r ) s i n r e s i n ( 1 + i ) r 】 y = ( r + r ) c o s t - e c o s ( 1 + i ) r 】 ( 2 9 ) 内摆线方程： x = ( r 一，) s i n r + e s i n ( 1 一i ) r 】 y = ( r r ) c o s t + e c o s ( 1 一i ) r 】( 2 一l o ) 其中，滚比：f ：一r( 2 1 1 ) ， 2 2 2 等距曲线 定义：将平面曲线上所有点沿着各自在曲线的法线方向同向移动相同的距离，p ，所 得到的新曲线，称为原曲线的等距曲线。按移动方向不同，分为外等距曲线和内等距曲 线，如图2 4 所示为短幅内摆线及其外等距曲线。 1 2 外等距曲线方程为： 铲如h 寿 m2 少( f ) + 了丽x t ( 2 - 1 3 ) 2 2 3 共轭曲线 定义：能实现固定传动比且互相啮合的一对曲线称为共轭曲线。 螺杆衬套副的端面齿形曲线是平面共轭曲线副，它们做螺旋运动就形成了螺杆衬套 副空间啮合的共轭曲面，满足能啮合，能密封，能推移的基本要素。 已知一条曲线，可以利用共轭原理求得与之共轭的另一条曲线。求解共轭曲线的方 法有齿廓法线法。包络法，运动学法等。 设原曲线的参数方程是：x i 可l ( 力，y l = y l ( 力利用齿廓法线法可求得其共轭曲线的方 程为【3 2 】【3 3 】： 一1 3 第二章单螺杆泵的工作原理及型线理论 夕 、啮合： x 2 = x lc o s ( c o l + 9 2 ) 一y ls i n ( q 0 1 + 9 2 ) + a s i n r p 2 y 2 = 而s i n ( t p l + 缈2 ) + y lc o s ( 矽l + 够2 ) 一a s i n 妒2 ( 2 1 4 ) 内齿合： x 2 = x lc o s ( c 0 2 一妒】) + y ls i n ( 0 2 一仍) 一a s i n 0 2 y 2 = 一x 1s i n ( 0 2 一缈1 ) + y lc o s ( c 0 2 9 1 ) 一a s i n a p 2( 2 - 1 5 ) 其中：9 l 、优分别为共轭齿廓所在坐标系的转角； r 两节圆的中心距。 2 2 4 不同型线分析 普通内摆线和其共轭曲线上存在着曲率半径为零的点，所以，它们的等距曲线存在 着打折现象，由它们形成的啮合副接触状况较差，机械摩擦较严重，泵的使用寿命较低。 短幅内摆线上没有尖点，其等距曲线光滑，没有明显的缺点。 短幅外摆线较短幅内摆线在曲线的圆滑性上易遭受破坏，同时变幅系数的的取值范 围受限制。 一般认为，对于多头单螺杆泵端面齿形曲线设计，如以延长泵的使用寿命为主要目 标，应采用短幅内摆线的外等距曲线的共轭曲线副作为型线；如果是以提高泵的性能为 主要目的，那么采用短幅外摆线的内等距曲线的共轭曲线副作为型线则较为理想【蚓【3 5 1 。 本设计采用短幅内摆线的外等距曲线的共轭曲线副作为端面齿形曲线。 1 4 中国石油大学( 华东) 工程硕七学位论文 第三章螺杆衬套副的设计计算 3 1 螺杆衬套副端面型线的设计计算 3 1 1 螺杆衬套副结构参数分析 经过上一章的分析，本设计采用双头螺杆设计，采用短幅内摆线的外等距曲线作为 衬套的齿形曲线，其共轭曲线作为螺杆的齿形曲线，并本着优先延长泵的使用寿命的目 的，同时最大程度的提高泵的工作性能的原则，对端面型线进行针对性设计。 在泵的设计上，能够影响单螺杆泵使用寿命的因素很多，制造螺杆和衬套使用高强 度高耐磨的材料，将单螺杆泵安装在压力、温度等环境条件较好的地理位置和部位，减 小工作时的螺杆和衬套间配合的过盈值，采用更合理的结构设计，采用更优越的端面曲 线设计都可以延长单螺杆泵的使用寿命。但就端面型线而言，众多的实际使用经验表明， 螺杆衬套副的接触表面的综合曲率越小，则单螺杆泵工作中，由于摩擦产生的磨损就越 小，相反的，表面综合曲率越大，单螺杆泵的使用寿命就越短。此外，分析表明，螺杆 衬套副的相对滑动速度对材料的磨损速度也有直接的影响。 单螺杆泵的端面过流面积，是由端面齿形曲线决定的，它直接影响着泵的输出特性， 是评价齿形曲线性能的最重要的参考指标。 综合以上的分析，以下将从过流面积、综合曲率、相对滑动速度三个方面