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青岛科技人学研究生学位论文 两种线型三头单螺杆泵数值模拟与工作特性对比研究 摘要 潜油螺杆泵在油田固定井的输送中起着关键作用，是作为石油行业中有效开 采井下稠油的专用设备，应用范围广，工作效率高。但在实际油田应用中经常出 现泄漏回流、定子变形、脱胶失效等严重影响泵工作寿命的现象，降低了泵的工 作效率及采油量。为了提高螺杆泵力学性能，以采油量和定子寿命为目标研究其 线型轮廓、运行方式、定子内腔变形和磨损情况以及定转子组成的密封腔内流体 的运动对定子的影响具有重要的现实意义。 潜油螺杆泵的主要工作部件为转子和定子，其定、转子型面复杂，运动方式 较为特殊。本论文在考虑增加流量和提高使用寿命的前提下，在沿用前人等壁厚 定子、空心转子技术的基础上选用短幅内摆线外等距曲线和短幅外摆线内等距曲 线两种线型等壁厚定子空心转子三头单螺杆泵作为研究对象，三头单螺杆泵具有 排量大、效率高、能耗低、转子受力状况好等优点，在国际上得到逐步的推广。 本文阐述了三头单螺杆泵端面线型的成型原理，得到了螺杆泵转子、定子的型线 方程，阐述了密封腔的形成机理，进而从运动学的角度分析了转子在定子衬套中 的运动规律以及密封腔中的流体的运动情况。 在基本原理的基础上，利用数值分析软件m a t l a b 对螺杆泵端面线型进行了 分析与绘制，针对短幅内摆线和短幅外摆线两种线型三头单螺杆泵的过流面积、 变幅系数以及滑速进行了对比分析，得出过流面积彳与滑速v 均同变幅系数k 成 正比关系，随着过流面积的增大所需的滑速也逐渐增加；利用有限元分析软件 a n s y s 对螺杆泵定子橡胶进行了结构静力分析和转、定子之间的接触分析，以 及定予橡胶温度场分析，来研究定子橡胶内轮廓线的变形规律、应力和应变分布 情况。分别对在均匀内压作用下和考虑工作压差以及定转子的接触所引起定子橡 胶的变形和受力的变化进行了研究。利用三维建模软件p r o e 对螺杆泵转子和定 子进行参数化实体建模，在压力作用下分析了密封腔和转子内腔流体的运动规律 和受力。最后，以分析结果为依据，提出了在匀压、过盈及压差存在的条件下， 短幅内摆线外等距曲线三头单螺杆泵各项性能参数均优于短幅外摆线内等距曲 线三头单螺杆泵，表明短幅内摆线三头单螺杆泵在油井中的适用范围更广。 关键词：三头单螺杆泵力学分析热分析流体分析 1 两种线删二头单螺杆泵数值模拟与j 。r = 作特性对比研究 ac o m p a r a t i v es t u d y o nt h en u m e r i c a l s i m u l a t i o na n dw o r n g p r o p e r t i e so f t w ol i n et y p e st h r e e t h r e a d s i n g l e s c r e wp u m p a b s t r a c t a s s p e c i a le q u i p m e n ti nt h e e f f e c t i v e e x p l o i t a t i o no ft h eo i li n d u s t r y , s u b m e r s i b l ep r o g r e s s i n gc a v i t yp u m pp l a y sak e yr o l ei nt h e t r a n s p o r t a t i o no ft h e o i l f i e l df i x e dw e l l s ，a n dh a saw i d ea p p l i c a t i o na sw e l la sh i g he f f i c i e n c y b u ti na c t u a l o i lf i e l da p p l i c a t i o n s ，l e a ko i la n dc i r c u m f l u e n c e ，s t a t o rd e f o r m a t i o n ，硒1 u r e 觚do l e r s e r i o u sp r o b l e m so f t e na r i s e ，w h i c ha f f e c t sm el i f es p a no ft h ep u m pa n dr e d u c 髂i t s p r o p e r t i e sa n do i lp r o d u c t i o n t oi m p r o v et h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fs c r e wp u m p ，i t i so fp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et os t u d yt h ee f f e c to ft h el i n ep r o f i l e ，o p e r a t i o nm o d e d e f o r m a t i o n ，w e a ro ft h es t a t o rc a v i t y , a n df l u i dm o v e m e n ti nt h es t a t o r c a v i t v c o m p o s e do ft h es t a t o ra n dr o t o ro nt h es t a t o rf r o mt h ep e r s p e c t i v e so fo i lp r o d u c t i o n a n dt h es t a t o rl i f es p a n s u b m e r s i b l es c r e wp u m pc o n s i s t so ft w om a i np a n s m er o t o ra n dt h es t a t o r i t s s t a t o ra n dr o t o rs u r f a c ei sc o m p l e xa n dh a sa r e l a t i v e l ys p e c i a lm o v e m e n tp a t t e r n o n t h ep r e m i s eo fc o n s i d e r i n gi n c r e a s i n gt h ef l o wr a t ea n d i m p r o v i n gt h el i f e s p a n ，t h i s p a p e rc o n d u c t sr e s e a r c ho nt h et h r e e - t h r e a ds i n g l e - s c r e wp u m pw i t ho u t e re q u i d i s t a n t c u r v eo fc u r t a t eh y p o c y c l o i da n di n n e re q u i d i s t a n tc u r v eo f c u r t a t ee p i c y c l o i d so nt h e b a s i so fc o n t r i b u t i o n sf r o mo t h e rs c h o l a r s ，s u c ha sw a l lt h i c k n e s so f t h es t a t o ra n dt h e h o l l o wr o t o rt e c h n o l o g y t h r e et h r e a ds i n g l e s c r e wp u m pp o s s e s s e sa d v a n t a g e so fa l a r g ed e l i v e r yc a p a c i t y , h i g he f f i c i e n c y , l o w e n e r g yc o n s u m p t i o n ，a n da 舀) o d m e c h a n i c a lc o n d i t i o no ft h er o t o la n di s p o p u l a r i z e dg r a d u a l l yi nt h ei n t e r n a t i o n a l m a r k e t i nt h i sp a p e r , t h em o l d i n gp r i n c i p l eo ft h ee n df a c eo f t h et h r e et h r e a ds i n g l e s 渊vp u m pi s i n t r o d u c e d ，f o l l o w e dt h ed e d u c t i o no ft h e l i n et y p ee q u a t i o n so ft h e s c r e wp u m p 。r o t o ra n dt h es t a t o r i na d d i t i o n ，t h ef o r m a t i o nm e c l m n i s mo ft h es e a l e d c h a m b e ri s d e s c r i b e d ，a n dt h e nt h em o v e m e n td i s c i p l i n e so ft h er o t o ri nt h es t a t o r 两种线4 4 二头单螺杆泵数值模拟与：i ：作特性对比研究 b u s h i n ga n dt h em o v e m e n to f f l u i di nt h es e a l e dc h a m b e ra r ea n a l y z e df r o mt f i ep o i n t o f v i e wo ft h ek i n e m a t i c s b a s e do nt h eb a s i cp r i n c i p l e ，t h en u m e r i c a la n a l y s i ss o f t w a r em a t l a bi su s e dt o a n a l y z ea n dd r a f tt h es c r e we n dt h ef l o wa r e a s ，t h ea m p l i t u d ec o e f f i c i e n t sa n ds l i d i n g s p e e d so ft h et h r e e t h r e a ds i n g l e - s c r e wp u m po ft w ol i n et y p e - - c u r t a t eh y p o c y c l o i d a n dc u r t a t ee p i c y c l o i d sa r ec o m p a r e da n da n a l y z e d ，w h i c hh e l p st of i n do u tt h a tt h e f l o wa r e aai sp r o p o r t i o n a lw i t ht h ea m p l i t u d ec o e f f i c i e n tk t h eg r e a t e rt h ef l o wa r e a t h eb i g g e rt h es l i d i n gs p e e d t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y si se m p l o y e d t om a k eas t r u c t o rs t a t i ca n a l y s i so ft h es c r e wp u m ps t a t o rr u b b e ra n dac o n t a c t a n a l y s i so ft h es t a t o ra n dr o t o lw h i c hh e l p st os t u d yt h ed e f o r m a t i o nd i s c i p l i n eo f t h e i n n e rc o n t o u ro ft h es t a t o rr u b b e ra n dt h es t r e s sa n ds t r a i nd i s t r i b u t i o n d e f o r m a t i o no f t h es t a t o rr u b b e ra n df o r c ec h a n g e sc a u s e db yu n i f o r mi n t e r n a lp r e s s u r e ，w o r k n o n - u n i f o r mp r e s s u r ea n dc o n t a c to ft h es t a t o ra n dr o t o ra r ea l s os t u d i e d t h e t h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l i n gs o f t w a r ep r olei sa p p l i e dt oc o n d u c tp a r a m e t r i cs o l i d m o d e l i n go nt h es c r e wr o t o ra n ds t a t o r , a n dt h em o v e m e n tt r a j e c t o r ya sw e l la sf o r c e s b o r n ei nt h es e a l e df l u i dc h a m b e ra n dt h er o t o rc a v i t yu n d e rp r e s s u r ea r ea n a l y z e d f i n a l l y , b a s e d o nr e s u l t so ft h ea n a l y s i s ，u n d e rt h ec o n d i t i o n so fu n i f o r mp r e s s u r e ，t h e e x i s t e n c eo fi n t e r f e r e n c ea n dn o n u n i f o r mp r e s s u r e ，t h ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so f o u t e r e q u i d i s t a n t c u r v eo fc u r t a t eh y p o c y c l o i dt h r e e - t h r e a ds i n g l e - s c r e wp u m p o u t w e i g h t h o s eo fi n n e r e q u i d i s t a n t c u r v eo fc u r t a t e e p i c y c l o i d s t h r e e t h r e a d s i n g l e s c r e wp u m p ，i n d i c a t i n gt h a tt h es c r e wp u m pw i t ht h eo p t i m i z e dn o d ei sg r e a t l y i m p r o v e di nt h ef l o wr a t ea n dp e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：t h r e et h r e a ds i n g l e s c r e wp u m p ，d y n a m i c sa n a l y s i s ，t h e r m a l a n a l y s i s ，f l u i da n a l y s i s i v l 青岛科技大学研究生学位论文 l 1 髓，绪论 1 1 螺杆泵工作原理及组成结构 1 1 1 螺杆泵工作原理 螺杆泵是容积效率介于叶片泵、齿轮泵和柱塞泵之间的一种容积式泵，主要 由浇铸在缸体外套内的橡胶定子和做行星转动的金属转子两个主要部件组成。定 子内壁曲面与转子外壁曲面是一对满足能啮合、能密封、密封腔能轴向推移的共 轭曲面。转子在端面线型比其多一条螺旋线的定子内做偏心旋转运动，定、转子 端面线型的几何空间组合形成一系列被分离的密封腔，如图1 - 1 所示。当电机带 动转子在定子内转动时，定转子间形成的密封腔沿轴线方向由泵的吸入端口逐级 以螺旋的形式被均匀地移送到排出端口。此时，泵的吸入端将再次形成低压腔吸 入液体，将液体移送到压力逐级升高的排出端，周期性的吸入与排出即完成螺杆 泵的抽吸及输送过程，即转子在定子内绕定子轴线做周向旋转，载有液体的密封 腔做轴向移动并提升压力，将吸入端的流体不断地举升至地面。 单头鳞抒泵转子单头螺轩泵定手 图1 - 1 单螺杆泵示意图 f i g 1 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fs i n g l es c i wp u m p 作为一种容积式泵，螺杆泵兼具了离心泵和齿轮泵的优点。螺杆泵运动部件 少、结构简单、流量均匀连续、噪音小、没有阀件及复杂的流道、有自吸能力； 密封腔的存在可以有效地降低输送含固体颗粒时产生的磨损，适于输送液体的种 类和粘度范围广泛。 两种线型二三头甲螺杆泵数值模拟j 工作特性对比研究 1 1 2 螺杆泵采油系统的组成结构 螺杆泵采油系统按照驱动方式的不同可分为： 泵，如图1 - 2 所示。 5 地面驱动螺杆泵和潜油螺杆 。纛鎏飘：譬。 1 一电控箱；2 一电机；3 皮带；4 一方卡子；1 电控箱；2 专用井口；3 一油管； 5 一光杆；6 减速箱；7 专用井口；8 一抽油杆；4 螺杆泵；5 套管；6 一筛管 9 一抽油杆扶正器；1 0 油管扶正器；1 1 一油管；7 一电缆；8 保护器；9 电机 1 2 螺杆泵；1 3 一套管；1 4 定位销； 1 5 防脱装置：1 6 一筛管 a ) 地面驱动螺杆泵系统示意图b ) 潜油螺杆泵系统示意图 图1 - 2 螺杆泵采油系统示意图 f i g 1 2s c h e m a t i cd i a g r a mo fp r o g r e s s i v ec a v i t yp u m ps y s t e m 地面驱动螺杆泵采油系统主要由动力系统、传动系统、执行系统、控制系统 等四部分组成。地面电机经过减速器减速后驱动抽油杆柱旋转，螺杆泵转子通过 联轴装置与抽油杆连接，并在其带动下在固定的定子内做自转加公转的行星运 动，在吸入端形成低压腔并吸入井液，逐级以螺旋的形式将井液输送至排出端口， 通过抽油杆柱不断将液体举升至地面。 潜油螺杆泵采油系统的不同之处在于将电机及减速器置于井下，动力电缆将 电传递给井下电机，经过减速器减速，带动与其通过保护器及连轴装置相连的螺 杆泵转子，在定位的定子内做行星偏转运动，井液通过联轴体上的筛孑l 进入泵的 吸入端，并被逐级举升到排出端的油管内，从而完成将井液举升至地面的过程。 潜油螺杆泵采油系统属于无杆采油设备，与地面驱动螺杆泵采油系统相比， 具有如下优点： 2 蒸一歌歉熬 i驾。 嚣 青岛科技人学研究生学位论文 ( 1 ) 不存在因抽油杆的扭曲、伸缩变形带来的能量损耗，不存在抽油杆与油 液搅动问题，没有液柱和机械传动过程中的惯性损失，节能高效，油越稠节能效 果越明显；不存在杆管偏磨问题，消除了断杆和管漏这种常见故障及其连带损耗， 延长了检泵周期； ( 2 ) 更适宜于斜井、定向井及水平井开采作业； ( 3 ) 机组井上部分体积小、重量轻的特点使其更适宜于海上平台和沼泽地 区采油作业。除了原井口外，只有一个变频控制柜在地面上，几乎不另占面积； ( 4 ) 井下机组的发热起到给原油加热的作用； ( 5 ) 日常维护管理简单； ( 6 ) 用回声仪测动液面不停抽，可以通过变频调速方便地调整螺杆泵转子转 速，实现调产。 1 2 采油螺杆泵的发展及研究现状 1 2 1 国外螺杆泵的发展及研究堙卅 螺杆泵的发展历史较长，早在上个世纪的2 0 年代中期，法国人莫依诺 ( m o y n o ) 发明了单螺杆水力机械采油原理，被称为莫依诺( m o y n o ) 原理。他 的最初意图是想设计一种旋转式的压缩机，因此，莫依诺原理很快便在压缩机、 泵和马达中得到应用，最初的应用便是地面螺杆泵和压缩机。 5 0 年代中期，前苏联开始研制采油用井下三螺杆式泵，主要优点是排量大、 扬程高，适合于深井举升石油，于1 9 7 3 年成批投入生产井下驱动螺杆泵采油系 统。在高粘度稠油( 5 0 0 0 m p a s ) 、大油气比油( 7 0 0 m 3 t ) 和含砂油( 2 2 5 ) 开采作业 中体现出了较好的性能和效益。在姆哈诺夫斯克油田使用时，在油气比高达4 0 0 m 3 t 的条件下，无故障工作长达4 7 7 天，泵效可达7 0 。螺杆泵作为开采高粘度、 高含水的采油设备，已广泛得到应用。但是在采油过程中，很多地面驱动的螺杆 泵抽油杆和油管容易被固体颗粒磨损，为克服这一不利因素，前苏联、美国、法 国和加拿大等国外一些公司在2 0 世纪8 0 年代初期开始研制电动潜油螺杆泵。 加拿大w e a t h e r f o r d 公司和美国休斯敦n a t i o n a l o i l w e l l 公司完成了等壁厚定 子螺杆泵的全新设计，与常规螺杆泵相比，等壁厚螺杆泵的泵体短，扭矩小，易 于洗井。该型泵具有以下优点：( 1 ) 提高散热效率；( 2 ) 单级泵压差增大，可以 缩短泵的长度，减少扭矩和功率；( 3 ) 橡胶溶胀、热胀均匀；( 4 _ ) 适应范围更广； ( 5 ) 转子不需抛光；( 6 ) 结构更加优化；( 7 ) 泵体质量更轻；( 8 ) 为洗井和压力监测提 供了通道。 加拿大c a m 公司开发了一种金属定子螺杆泵，其定子采用高铬钢材料f 铬 3 两种线型三头单螺杆采数值模拟与丁作特性对比研究 含量达2 8 ) n 作，定子表面采用碳化钨加镍钴粘合剂，定子表面覆盖8 - 1 0 r a m 的尿烷或氟化橡胶。该型泵具有以下优点：( 1 ) 使用较少级数实现高压头；( 2 ) 可处 理高含砂井液；( 3 ) 发生事故时，不需要起出转子，从而减少了作业费用。 美国g p e x 公司开发了性能类似于金属定子螺杆泵的产品一合成材料螺杆 泵。其定子采用专利配方的合成材料制作，耐磨性高于钢铁，其中加入了减少摩 擦的试剂，加工精度更高；转子表面覆盖一层聚氨酯，适用于磨蚀条件，力学性 能更好，适应流体和烃的范围广，同时采用等壁厚结构，提高系统效率。该型泵 的优点是，被磨损的是螺杆，而不是螺杆泵泵体。 加拿大w e a t h e f f o r d 公司和美国休斯敦n a t i o n a l o i l w e l l 公司已经完成了等壁 厚定子螺杆泵的全新设计，德国k a c h e l e 公司应用一种新的生产工艺，制造出外 观呈螺旋扭曲的定子，这种工艺可保证定子内胶壁厚均匀不变。 目前井下电驱动螺杆泵采油系统有单螺杆、双螺杆和三螺杆等三种形式。其 排量范围为1 6 - - 2 0 0 m 3 d ，实际使用上最高已达2 5 0 m 3 d ，举升高度范围为9 0 0 1 2 0 0 m ，实际使用最高达1 4 0 0 m 。 美国c e n t r i l i f t 公司于1 9 9 2 年开始研制电动潜油螺杆泵采油系统。该公司与 一家齿轮设计公司合作研制了9 ：1 的齿轮减速箱，在电机和保护器上采用挠性轴。 他们成功地进行了寿命达9 个月的生产试验，应用在含砂、高c 0 2 、中等h 2 s 、 比重为1 4 0 a p i 、气液比达1 0 0 0 的环境中。目前己形成系列产品，可以根据不同 井况，选择不同技术参数的部件。 美国r e d a 公司和法国k u d u 公司于1 9 9 4 年合作开发电动潜油螺杆泵采油系 统。该装置包括一台潜油电机、保护器、挠性传动部件和螺杆泵电机是4 0 p h ， r e d a5 4 0 系列，四级电机，同步转速为正8 0 0 r m i n ，对应的二级电机和同步转速 是3 6 0 0r m i n 。挠性传动使电机由1 7 0 0r m i n 输入转速降低到1 0 6r m i n ( 减速比为 1 6 ：1 ) 或4 2 5 r m i n ，从而把电机的同心转速调整到适于常规螺杆泵偏心摆动的转速。 美国b a k e r h u g h s 公司则开发了一种通过油管用钢丝绳起下或直接用连 续油管起下的电动潜油螺杆泵系统( 简称1 陀系统) ，这样安装和拆除就不需要修 井机，从而减少使用修井机的高额费用。 国外对采油螺杆泵在结构和材料上的改进，为我国采油螺杆泵的发展提供了 一定的可借鉴之处，使得我国的螺杆泵有了一定的发展。 1 2 2 国内螺杆泵的发展及研究陋1 6 1 我国对螺杆泵的研制起步较晚，应用于采油工艺仍处于初始阶段。近几年来 随着国外技术的引进，许多油田和厂家正致力于这方面的研究并开始现场应用和 试验。随着国内螺杆泵的应用和发展，螺杆泵制造行业应运而生，除了以兰州耐 4 青岛科技大学研究生学位论文 茨、天律工业泵为代表的一批地面泵厂商外，采油螺杆泵的生产厂家有2 0 多家。 它们都在为我国螺杆泵的发展作着贡献。从国内生产采油螺杆泵的厂家来看，和 国外相比，无论在技术上、产品质量上还是生产管理上都相差很远。 有关数据显示，早在1 9 8 6 年，大庆油田从加拿大g r i f f i n 公司引进并下井应 用了第一台螺杆泵，一直处于小规模试验阶段。 八十年代中后期，华东石油大学万邦烈、张建伟和北京石油勘探开发研究院 苏义脑、谢竹庄等学者对单螺杆泵水力机械的基础理论进行了深入研究，建立了 单螺杆泵水力机械螺杆一衬套副平面、空间啮合理论，分析了螺杆一衬套副这对 在空间内啮合的共轭曲面的特点。万邦烈等人研究认为，以摆线的等距曲线及其 共轭曲面所形成的螺杆一衬套副曲面是比较适宜的，并针对螺杆钻具建立了螺杆 一衬套副的评价指标及其参数优选方法。同时利用投影法探讨了螺杆一衬套副的 作用力问题，建立了螺杆泵转子作用力的理论计算公式。但是以上研究还存在以 下不足：投影法分析单螺杆泵的作用力较复杂，不明了；对定、转子间摩擦 扭矩没有进行深入研究；缺乏系统的试验研究。 华东石油大学水力机械课题组和大庆采油工艺研究院魏纪德、师国臣等人对 采油螺杆泵的工作特性进行了初步试验研究。试验研究了举升介质温度、粘度对 螺杆泵工作特性的影响，试验表明举升介质温度、粘度是影响螺杆泵容积效率的 主要因素之一，并对螺杆泵工作特性曲线进行了数值模拟，初步分析了螺杆泵定 予橡胶溶胀对容积效率的影响及对策。m a i i d d 等学者对螺杆泵抽吸含砂流体的 耐磨性进行了研究，研究认为对螺杆泵的结构参数和工作参数进行优化，能够有 效降低泵的磨损，延长螺杆泵的使用寿命。 大庆油田有限责任公司采油工艺研究所的黄有泉、何艳、刘合等人对螺杆泵 在结垢磨蚀环境下的目标函数进行了分析，优化了螺杆泵的结构参数，并从材质 改性和优化运行的角度，探讨了提高单螺杆泵抗垢耐磨性能及延长运转寿命的方 法。 石油大学( 北京) 石油天然气工程学院的张劲、张士诚等人研究了等壁厚螺杆 泵定子橡胶衬套内轮廓线的变形规律，对其应力和应变分布情况作了辅助性分 析；研究了均匀内压作用情况下，考虑工作压差以及定子与转子的装配等情况下 所引起的定子橡胶变形和受力变化，并利用有限元分析软件a b a q u s 对等壁厚螺 杆泵定子进行研究，得出了螺杆泵定子在不同工况下的受力状态和变形规律，以 及定子材料参数对变形规律的影响。 大庆油田有限责任公司的魏纪德、郑学成等人对采油螺杆泵定子温度场进行 了数值模拟分析，得出常规螺杆泵定子温度场的分布规律是：在径向端面内沿长 轴方向呈对称的椭圆形分布，由椭圆中心向外温度逐渐降低，最高温度点位于短 5 两种线型三头单螺杆泵数值模拟与工作特性对比研究 轴方向橡胶厚度最厚的中心部位，螺杆泵定子橡胶的温升与橡胶物性、工作参数 密切相关的结论。何艳、秦佳、朱雪芹等人建立了等壁厚定子温度场有限元分析 模型，用a n s y s 有限元分析软件进行分析计算，获得了等壁厚定子内部的温度 场分布情况，为等壁厚定子螺杆泵发展提供了理论依据。 胜利油田扬玉生等人提出了为改善衬套型线精度提高密封性能的定子型线简 易修正法。大庆油田韩修廷提出为保证定子橡胶衬套的型线，建议在设计定子模 芯时，应根据橡胶配方的不同，考虑橡胶在硫化过程中的收缩给予修正。 综上所述，在采油螺杆泵工作特性研究中，还有以下不足： 采油用螺杆泵结构参数、工作参数和实际工况条件下对其工作特性的影响 没有系统研究、试验研究以及验证工作开展得比较少； 对螺杆泵定子衬套的变形规律及其对泵特性的影响没有进行研究； 从改进结构设计、改善力学特性角度来提高螺杆泵工作特性方面没有进行 研究与实践； 对润滑特性差的特殊介质的螺杆泵研究和开发缺乏有效措施。 1 3 潜油螺杆泵今后的发展方向及待解决的关键技术问题 1 3 1 潜油螺杆泵的发展方向 为满足稠油井、水平井及斜井举升的需要，开发应用电动潜油螺杆泵是十分 必要的。高原公司、辽河油田研制成功了井下电潜螺杆泵，其系统由地面控制系 统、井下电缆、螺杆泵、保护器、减速器和电机等组成。电潜螺杆泵在辽河曙光 油田和海外河滩海油田应用4 口井5 井次，收到良好的采油效果。 随着电动潜油螺杆泵的发展，也相应地提高了对它的要求。目前，电动潜油 螺杆泵正朝以下几个方向发展： ( 1 ) 高扬程，大排量； 圆延长泵的寿命； ( 3 ) 拓展泵的使用范围，采用不同的起下方式以节约作业成本； ( 4 ) 智能化，开发适用于电动潜油螺杆泵的应用软件； ( 5 ) 研究高速泵。一是高速泵用橡胶，二是合理的定转子表面配合( 包括尺寸 和材质) ，三是几何尺寸优化设计； ( 6 ) 加快研制插入式螺杆泵，采用无缝钢管作定子管； ( 7 ) 设计多头泵，减小泵直径；转子设计要小直径，大偏心距。 6 青岛科技大学研究生学位论文 1 3 2 潜油螺杆泵设计中待解决的关键技术问题 针对潜油螺杆泵的发展方向，结合当前国内油田开发后期处于高含水、含沙 期，若想提高泵效及满足一定的排量要求，建议使用大排量潜油螺杆泵。由于受 到井下套管尺寸的限制，多头单螺杆泵的研究与开发受到各大油田的青睐。目前 单头螺杆泵和双头单螺杆泵已经投入使用并获得了较好的成效，但是多头螺杆泵 的研制及开发还存在以下待解决问题n ”： ( 1 ) 多头螺杆泵端面型线没有固定的组合方式，国内外各厂家的端面型线的 生成也处于保密阶段： ( 2 ) 多头螺杆泵的轴向型线也没有文献具体论述过，它的生成决定着螺杆轴 向的密封性； ( 3 ) 螺杆泵定子橡胶的个性化设计技术尚不成熟； ( 4 ) 螺杆泵采油井的井下测试技术尚不配套，配套标准不完善或缺乏； ( 5 ) 潜油螺杆泵采油系统的整体优化设计不完善； ， 正是由于螺杆泵的设计发展还存在以上不足之处，使得潜油螺杆泵在油田的 应用与推广中受到了一定的限制。从经济性和油田实际出发，本文着眼于三头单 螺杆泵端面线型的设计与数学建模，针对易损部件定子橡胶的特殊性，通过采用 两种线型等壁厚定子空心转子的结构方法对螺杆泵在工作过程中定、转子间热量 的产生与释放进行了对比分析，找出可以延长定子橡胶寿命的三头单螺杆泵泵 型；本文还在模拟井下工况的条件下，首次对流体在泵内的运动情况以及三头单： 螺杆泵的性能参数进行数值模拟与分析，来拓宽可以优化的点，找出在相同尺寸 条件下流量较大的泵型，进而为提高螺杆泵采油量的设计提供更广阔的空间。 1 4 等壁厚三头单螺杆泵采油系统的工作原理及特点 电动潜油三头单螺杆泵系统是将螺杆泵体与联轴器、保护器、减速器、潜油 电机全部置于井下套管内，由地面管线和油管相连接。地面电源通过变压器、接 线盒、控制柜等设备连接后，通过电缆将电力输送至井下潜油电机，当电源启动 后，电机将动力输送给减速器，并通过联轴器驱动三头单螺杆泵在低速下旋转， 井液通过联轴器进入螺杆泵吸入端，经过泵的增压后经油管举升至地面，进而输 送到计量站完成三头单螺杆泵的抽油过程。 与单头单螺杆泵相比，虽然工作原理相同，但是三头单螺杆泵与之设计原理 不完全相同，且有自身的结构特点n 8 ，1 9 1 ： ( 1 ) 在相同泵径尺寸的条件下，三头单螺杆泵的压头高于单头单螺杆泵， 7 两种线型三头单螺杆泵数值模拟与1 = 作特性对比研究 三头单螺杆泵在每个导程内比单头单螺杆泵多两个液压密封腔室，因此，每个导 程的密封压力均高于单头单螺杆泵； ( 2 ) 在转子转速相同的条件下，三头单螺杆泵定、转子间的最大滑移速度 要比单头单螺杆泵小得多，并且转子相对运动的滑动摩擦也小于单头单螺杆泵， 工作过程中定子橡胶的磨损程度相对较小，泵的工作寿命较长； ( 3 ) 三头单螺杆泵定、转子间的偏心距小于单头单螺杆泵，因此，由偏心 导致的振动有所缓解，运行速度较平缓。在相同条件下，三头单螺杆泵的旋转速 度高于单头单螺杆泵，相应的排量也比较大； 因此，泵径相同的三头单螺杆泵与单头单螺杆泵相比具有扬程高、排量大、 效率高、节省能量等特点乜仉2 1 j 。 1 5 本课题研究的主要内容与研究方法 1 5 1 论文研究的主要内容 本课题主要以两种线型等壁厚三头单螺杆泵的定子与转子为研究对象，首先 对定转子端面线型进行分析，在力求获得较大的过流面积和较小的偏心距的前提 下选取最优线型。再根据两种线型三头单螺杆泵对定转子进行接触和磨损分析， 对比分析两种线型的优缺点，找出符合油田用泵的最优线型。主要内容包括以下 几点： ( 1 ) 了解螺杆泵定转子的工作原理、线型成型及啮合原理，分析其运动规 律。 ( 2 ) 两种线型三头单螺杆泵端面线型的数学建模并进行性能参数的对比分 析，找出最优型。 ( 3 ) 对两种线型三头单螺杆泵进行接触和磨损分析，找出变形及应力、应 变变化情况，得出相应结论。 ( 4 ) 对两种线型三头单螺杆泵定子橡胶进行热分析及相应的流体动力学分 析。 1 5 2 课题拟采取的研究方法 ( 1 ) 在定转子数学建模过程中，应用m a t l a b 软件强大的方程做曲线的功能， 做出三头单螺杆泵的两种端面线型； ( 2 ) 应用a n s y s 大型有限元分析软件对定转子进行接触与磨损分析以及定子 橡胶的热分析，查看位移及应力应变的变化过程，分析过盈量对以上因素的影响 8 青岛科技大学研究生学位论文 以及查看对定子橡胶温度场的分布情况； ( 3 ) 在p r o e 中建立两种线型三头单螺杆泵实体模型，导入w o r k b e n c h 分析 软件中，进行固体域模型分析； ( 4 ) 采用i c e mc f d 软件对流体域模型进行网格划分，并导入a n s y sc f x 中 进行流体动力学分析并查看流体的流动的规律。 9 两种线型三义单螺杆泵数值模拟与t 作特性对比研究 第二章螺杆泵定转子成型原理及常用线型 2 1 螺杆泵定转子成型原理 螺杆泵转子在定子内做绕自身几何中心自转并绕定子几何中心公转的行星 运动，在空间啮合形成的共轭曲面将围成多个密封腔室，如图2 1 所示。要满足 当转子和定子作相对转动时，油液在吸入端压差的作用下被吸入，并由吸入端推 挤到排出端，共轭曲面需要满足以下几点要求： ( 1 ) 能啮合，就是能满足一般齿形啮合运动的要求； ( 2 ) 能密封，就是螺杆和衬套间能形成多个密封腔室，以充满工作液体； ( 3 )能推移，就是螺杆的转动能使密封腔室连同其中的工作液体连续的沿着 轴向移动，并在推移的过程中进行机械能和液体能的相互转化。 单螺杆泵定子 f 1 啊r1 ，rv v 1 l 一 | 上銎 1 时，动点u 位于滚圆( r ) 圆周内，如图2 - 5 ( a ) f i ) i ：示 , ，称b w 为短幅外摆 线； 当k 1 时，动点u 位于滚圆( r ) 圆周内， 线； ( 2 6 ) 如图2 - 7 ( a ) 所示，称b n 为短幅内摆 当k 1 ，代入短幅内摆线方程， 则三头单螺杆泵的短幅内摆线方程为： 瞄捌罱 3 ， 对( 3 3 ) 式求导得： 书代0 s 口- 3 e c o s ( 3 0 ) ( 3 - 4 ) 【y 。- - 3 r s i n i t - 3 e s i n ( 3 0 ) l x 。= - 3 ，s i n 秒+ 9 p s i l l f 3 口1 ) ，一3 r c 0 s p 一9 e c o ：( 3 9 ) 。巧 1 7 两种线型三头单螺杆泵数值模拟与工作特性对比研究 令厅= ( x ) 2 + ( j ，) 2 ，r = 4 r 则： 办= ( x ) 2 + ( y ) 2 一( 3 ，c o s o 一3 e c o s ( 3 0 ) ) 2 + ( 一3 ，s i n o 一3 e s i n ( 3 0 ) ) 2 ( 3 6 ) - 9 r 2 + 9 e 2 1 8 r e c o s ( 4 0 ) 则短幅内摆线的外等距曲线方程为： 一心伊础( 3 0 ) 一口去 ( 3 - 7 ) 虼2 3 惝9 + p c o s ( 3 9 ) + 口去 式中a 为等距圆半径，0 为滚圆滚动一段圆弧后q d 2 与y 轴的夹角， 0 秒2 万，为滚圆半径。即衬套曲线的方程为( 3 7 ) 。 3 1 2 短幅内摆线外等距曲线的共轭曲线( 转子) 由盟：一r 2 ：互可知： 仍吒 z l 仍：孕仍 ( 3 8 ) 舻i 仍 婚培 讫一乏魄 协” 馈一仍2 象 ( 3 - 1 0 ) 参考齿轮啮合原理( 第二版) 一书中关于在坐标变换条件下，采用齿廓 法线法求共轭曲线的知识，本文中短幅内摆线螺杆一衬套副的啮合符合内啮合齿 轮副，因此短幅内摆线的外等距曲线的共轭曲线方程为： ，五。艺c 0 孓馈一伤) + 儿s 抽( 何一仍) 一口s i l