（机械工程专业论文）五级立式电潜泵性能检测装置研制.pdf

五级立式电潜泵性能检测装置研制 摘要 i 随着石油工业在我国迅速发展 作为无杆采油机械的电潜泵的产 量襁质量也在同步发展和提高 世界范围内的机械采油市场竞争日趋 激烈 以美国为首的国外制造商保持着该产品制造的领先地位 对产 品的关键技术实行严密封锁 作为国内电潜泵制造行业的佼佼者之 一 胜利油田无杆采油泵公司 一直对该产品的质量进行着不断的探 索研究 因此 研究开发一种机电一体化的导叶轮性能测试装置 对 企业提高产品质量 占领市场 提高生产效率 降低生产成本及提高 企业的生产能力和经济效益都有着显著的作用 本课题的目的就是研 部分 机械结构部分结构简单 合理 具有足够的强度 刚度和稳定 性 通过计算机和系统软件对各测量仪表实现了合理控制 开发了界 面友好 功能全面 安全可靠的系统应用软件 实现了高速测量数据 采集与处理 经现场试验证明 本测试装置所测参数和系统精度完全 满足且远超过g b 3 2 1 6 所规定的c 级标准要求 仪表测量数据采样涉及测量速度和测量精度等因素的影响 通过 对各种仪器仪表的合理匹配 功能全面的软件开发 机械结构的合理 设计很好地解决了这一问题 实现了全部数据由计算机采集 处理 自动生成数据报表 性能 曲线 并能随时打印 零部件的刚度会直接影响到测量结果的准确与否 以及测量的重 复性 通过分析计算对零部件的刚度采取了特殊结构和合理的热处理 方式 尽量保持系统结构的稳定性 达到了很好的效果 本装置不同与普通泵试验台 不仅可对五级模型泵进行测试 也 可对不同级别的模型泵进行测试 填补了国内同行业该领域的空白 居国内同行业先进水平 关键词 电潜泵 导叶轮 试验装置 扬程 系统误差 泵效 l i i a b s t r a c t b e c a u s eo ft h er a p i dd e v e l o p m e n to fp e t r o l e u mi n d u s t r yi no u rc o u n t r y t h e o u t p u ta n dq u a l i t yo fe l e c t r i cs u b m e r s i b l ep u m p su s e df o rr o d l e s s o i le x t r a c t i o n m a c h i n e n e e dt og r o wa n di m p r o v ei n p h a s e m a r k e to fg l o b em e c h a n i c a l o i l e x t r a c t i o nh a v eb e e nc o m p e t i t i o nt e n dt o w a r d sf u r y m a n u f a c t u r e rw i t ha m e r i c ak e e p a h e a di nm a n u f a c t u r e t h ek e yt e c h n o l o g yh a v eb e e nc l o s e do f f r o d l e s sp u m p s i n c o r p o r a t i o n ad i v i s i o no fs h e n g l io i l f i e l di s o n eo fo u t s t a n d i n go nn a t i o n a l e l e c t r i cs u b m e r s i b l ep u m p sm a n u f a c t u r e h a sb e e nr e s e a r c h e do nq u a l i t yo f p r o d u c t t h u s i ti s i m p o r t a n tt o r e s e a r c ha n dd e v e l o pat y p eo ft e s t i n ge l e c t r o m e c h a n i c a l d e v i c eo ni m p e l l e r t m se q u i p m e n ti sr e m a r k a b l et oh e l pc o r p o r a t i o nt oo c c u p yt h e m a r k e t i m p r o v et h eq u a l i t yo fp r o d u c t i n c r e a s et h ee f f i c i e n c yo fm a n u f a c t u r i n g r e d u c et h ec o s to fp r o d u c t i o n a n de n h a n c et h et h r o u g h p u ta n de c o n o m yb e n e f i to f e n t e r p r i s e m yt a s ki s t or e s e a r c ha n dd e v e l o pt e s t i n gd e v i c eo ni m p e l l e r m yw o r k h a v es i g n i l y i n gm e a n i n gt oi m p r o v ep r o d u c t sq u a l i t y t h em a i ns t u d i e sa n dr e s u l t so f t h i sp a p e ra sf o l l o w i n g r e s e a r c ha n dd e v e l o pf i v eg r a d ep u m p t e s t i n ge q u i p m e n t i n c l u d ed r i v es y s t e m c y c l es y s t e ma n dc h e c ks y s t e m t h em e c h a n i c a l s t r u c t u r eh a v ec h a r a c t e r i s t i co f s i m p l e n e s s r e a s o n a b l e a d e q u a c yi n t e n s i o n r l g i d i t ya n ds t a b i l i t y i m p l e m e n tt h e r a t i o n a lc o n t r 0 1o ne a c hi n s t r u m e n tw i t hc o m p u t e ra n ds y s t e ms o f t w a r e e x p l o i t s y s t e mc o n t r 0 1s o f t w a r ew h o s e i n t e r f a c en e i g h b o r f i m c t i o n sa r ec o m p r e h e n s i o n s a f e a n dd e p e n d a b l e b e s i d e s s e v c lc o m p u t e rc a r r i e so u th i g h l ys p e e dm e a s u r ed a t a c o l l e c t i o na n dd i s p o s a l p r o v i n go fl o c a t et e s t s y s t e mp r e c i s i o ns a t i s f yc o m p l e t e l y r e q u e s tr e g u l a t e d w i t hc g r a d e o f g b 3 2 1 6 s a m p l i n gf o rm e a s u r es e n s o r sd a t ai s r e l a t e dt om e a s u r es p e e da n dm e a s u r e p r e c i s i o n i h a v es o l v e dt h i s p r o b l e m w e l l b ym ye l a b o r a t e s o f t w a r e d e s i g n m e c h a n i s ms t r u c t u r ed e s i g n a l lo ft h ed a t ah a sb e e nc o l l e c t e d d i s p o s e d a u t o m a t i cc r e a t e dr e p o r tf o r m sa n d c a p a b i l i t yc u r v e w i t hc o m p u t e r a n dc a n p r i n t e d a ta n ym o m e n t r i g i d i t yo ft h ep i e c e w o r kc a r l e f f e c tr e s u l ta n dr e a p p e a r a n c eo fm e a s u r e b y a n a l y z i n ga n dc a l c u l a t i n g id e s i g nas p e c i a l s t r u c t u r ea n dr a t i o n a lh e a tt r e a t m e n t m a r i n e ro fe l e m e n t s s oa st or e t a i ns t a b i l i t yo fs y s t e ms t r u c t u r e a l lt h o s eo b t a i na g o o d e f f e c t n ed e v i c ed i f f e rf r o mn o r m a lt e s te q u i p m e n t i tm a ym e a s u r et h ef i v eg r a d e p u m p sa n d c a na l s ot e s tt h ed i f f e r e n t g r a d ep u m p s i t h a v eb e e nr e s e a r c h e d s u c c e s s f u l l yt of i l li nn a t i o n a le m p t y a n d k e e pa h e a d o nn a t i o n a ls a l t l ev o c a t i o n k e y w o r d e l e c t r i cs u b m e r s i b l ep u m p s i m p e l l e r t e s td e v i c e h e a d s y s t e me r r o r p u m p se f f i c i e n c y 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下 独立进行研究工作所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果 对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名 础玛 蔓 日期 加1 年f 月心日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借阅 本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文 保密口 在一年解密后适用本授权书 本学位论文属于 不保密囱 请在以上方框内打 j 学位论文作者签名 考月羁五指导教师签名 日期 舭年r 月心日日期 一2 年广月 6 日 上海交通大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1 国内外无杆采油泵技术的现状与发展 潜油电泵全称为电动潜油离心泵 简称电泵 其内部结构如图1 1 所示 最早是由苏联人 a s 艾鲁托诺夫 f as a r u t u n o m 先 生研究发明的 当时 用于抽地层中的水 和矿井里的水 图1 1 a s 艾鲁托诺夫先生于1 9 2 3 年把这种泵的概念介绍到美国 美国第一台潜油电 泵在洛杉矶问世 1 9 2 6 年美国开始在坎隆斯的鲁赛尔 r u s s e l l 油田应用潜油 电泵抽油 从此开始了潜油电泵用于原油生产的历史 美国在潜油电泵的研究制 造和使用方面已有近七十年的历史 无论是在制造工艺 还是在应用技术方面都 居世界领先地位 我国是从1 9 6 4 年开始进行潜油电泵的研制和抽油试验 取得 了比较好的效果 特别是近十年来 潜油电泵的制造技术和应用技术在我国得到 了飞速的发展 1l1 潜油电泵制造水平 从目前国内潜油电泵的生产规模和制造技术来看 主要以美国 苏联和中国 为主 但是无论是生产规模 还是制造技术 美国都居于领先地位 美国生产的 潜油电泵机组除满足国内需要外 每年还有大量的潜油电泵机组供应国际市场 苏联和我国生产的潜油电泵机组只能满足国内使用 美国目前主要有四家潜油电泵公司 都在俄克拉何马州 它们分别是雷达 r e d a 公司 森垂利夫特 c e n t r i l i f t 公司 科贝 k o b e 公司和o d i 公司 其中以雷达公司和森垂利夫特公司生产规模最大 目前美国共生产5 0 h z 和6 0 h z 两种频率各种系列的电泵机组4 0 0 多种规格 泵的最大外径为2 5 4 毫米 适用于 1 1 4 3 3 5 0 毫米套管井中 排量范围一般在1 6 4 1 0 0 m 3 d 之间 最大可达到 15 0 0 0 m 3 d 泵效在4 4 7 0 之间 下井深度一般在3 0 0 0 m 以内 最深可达4 5 7 2 m r 乜功牢般在4 7 7 6 1 k w 范围内 耐温一般在1 2 0 用于地热井可达到2 3 2 潜油电缆主要有1 2 4 6 四种规格 最大耐温可达到2 4 0 c 平均检泵周期 为3 9 3 天 一般在1 4 一1 6 年 最长达到1 4 年 前苏联的潜油电泵主要生产厂家为a l m e t y e v s k 电泵制造厂 该厂是全世界 最大的电泵制造厂 年产量为8 0 0 0 套 其产品名称为a e n a s 前苏联8 0 的潜油 电泵是由这个厂生产的 目前 俄罗斯共生产各种潜油电泵约4 0 多种规格 设 上海交通大学硕士研究生学位论文 计排帚为5 0 0m 3 d 最大可达到1 3 0 0 1 4 0 0m 3 d 可用于1 2 4m l n 以上套管中 设 计扬程在4 5 0 1 5 0 0 m 之间最大可达到2 5 0 0m 泵效最大为6 0 检泵周期可 达到5 0 0 天川 我国目前潜油电泵生产厂家主要有天津潜油电泵联合公司 胜利潜油电泵公 司和大庆潜油电泵公司 其产品目前共有十几种规格 可下入1 4 0 1 1 1 1 1 1 套管井中 排量范围一般在5 0 5 0 0 m 3 d 之间 设计扬程一般为1 0 0 0 i n 最大可达到2 5 0 0 m 泵效平均为5 0 电机功率最高可达到1 3 5 k w 耐温一般在9 0 以内 近两年 已研制成功了耐温为1 8 09 c 的潜油电泵机组 目前电泵机组的生产已基本达到自 给 检泵周期一般在1 年 1 1 2 潜油电泵应用水平 近几年来 随着潜油电泵应用数量的不断增加 国内外在电泵采油工艺技术 奇而做了大量的工作 在潜油电泵应用日益广泛的同时 其应用水平也在不断提 高 并积累了丰富的经验 据统计目前国外 3 2 电泵井的系统效率已达到了4 2 电泵的适用温度已达到1 5 0 电泵采油的最大下井深度已达到4 5 0 0m 平均使 用寿命达到6 0 0 天以上 从潜油电泵的应用规模来看 前苏联是目前世界上应用潜油电泵最多的国 家 前苏联有潜油电泵井近4 0 0 0 0e 1 占全国总生产井数3 0 左右 电泵井产量 占全国原油总产量的5 0 其平均检泵周期已达到5 0 0 多天 以罗马什金油田为 例 该油田是世界上最大油田之一 于1 9 5 2 年投产 是前苏联第一个大型水驱 油田 目前油田平均含水率已达到9 0 以上 全油田共有生产井2 0 0 0 0 多口 其 中电泵采油井5 5 0 0 口 占全油田总生产井数的2 7 5 据有关资料 3 2 介绍 前 苏联其它油田的情况也与罗马什金油田的情况类似 原油开采已进入高含水期阶 段 因此为丁保持稳产 必须大量使用潜油电泵抽油 预计到5 年后 潜油电泵 将增加到7 0 有杆泵将逐渐减少 据1 9 9 4 年资料统计 荚国电泵井数已达到 1 3 0 0 0 多口 占全国总生产井数的2 2 左右 平均检泵周期达到4 0 0 天左右 个 别油田可达8 0 0 天 我国自1 9 8 1 年开始在油田大规模使用潜油电泵抽油 十年 来电泵的应用有了较大的发展 目前全国共计有潜油电泵井3 7 0 0 多口 占全国 总生产井数的6 7 产量占全国原油总产量的2 0 7 左右 平均检泵周期在1 年 左右 以大庆油田为例 目前共有1 9 0 0 多口电泵井 占全油田总井数的1 7 3 电泵 井产量占全油田总产量的3 7 左右 检泵周期达到8 0 0 多天 最长运转时间已超 过1 0 年 同时 通过十年的发展 在潜油电泵采油工艺技术上应用和发展了潜油电 泵测压阀 不压井分采管柱以及电泵井防气等一系列配套工艺技术 i13 潜油电泵新技术发展 随着潜油电泵在油田上的应用日益广泛 石油工业对潜油电泵不论在数量上 上海交通大学硕士研究生学位论文 还是在质量上都有了越来越高的要求 此外 由于潜油电泵使用范围的不断扩大 特别是高温井及水平井的应用 对潜油电泵提出了更特殊的要求 针对这些情况 国内外潜油电泵厂家对潜油电泵机组不断进行改进 目前以制造出了高温电机和 适应于水平井段采油的潜油电泵川 同时 为了延长机组使用寿命 对机组的各 个部件也进行了改进 l 潜油电泵新产品 水平电泵 一用于高压注液井 美国雷达公司制造出一种水平电泵 这种 泵可用于高压注液井中 也可供井下水力泵用 它类似一个油管增压器 泵的排 量可达到4 7 6 9 m 3 d 排出压力高达2 7 6 m p a 低排量 高泵效电潜泵 美国森垂利夫特公司制造出 种低排量 高泵效 潜油电泵 夕p 径1 0 1 6 m m 4 0 0 级 该泵的性能在美国西海岸油田应用得到证 实 它可以用于存在结垢 岩屑堵塞和稠油井中 其性能良好 用于水平井的电潜泵 近几年来 随着水平井钻井技术的发展 水平井在 油田开发中的应用范围越来越广 它不仅用于稠油油藏中 而且可应用于稀油油 藏 厚油藏 薄层和低渗透等油藏中 据统计 目前国外水平井井数已达到2 0 0 0 口以上 预计在今后水平井井数将会不断增加 二 潜汕电泵机组改进 电潜泵轴套 减少磨损 油井出砂和其它的固体颗粒会对电泵产生磨损 从而缩短泵的使用寿命 为了鳃决这一问题 v a p r k o t e 公司推出了一种旋转滑套 和硼合金套 以减少泵和轴的磨损 目前 这种产品已投入使用 电潜泵动力油管 挪威f r a m o 公司发明了一种用于潜油电泵采油的动力 油管 该油管由标准管 接头和同轴电缆等组成 此外 该系统还安装了变速驱 动器 这套装置试验成功后在阿曼得到了应用 其使用深度为1 0 0 0 m 排量为1 1 9 2 m 3 d 串联双级旋转式分离器 为了进一步提高旋转式分离器的分离效率和分离 能力 有大庆潜油电泵公司研制了一种串联双级旋转式分离器 该分离器是利用 两个旋转式分离器 经改造上级分离器下接头 在油井上施工时相连接而组成的 这种分离器经住大庆油田高含气井中试验取得了成功 提高了分离效率 并使潜 油电泵适应气液比范围增大 l14 潜油电泵井的自动化管理 1 潜油电泵的油田自动化 美国o d i 公司发展了一种潜油电泵油田自动化控制系统 3 3 1 该系统由井下 压力 温度传感器 电缆和地面计算机等装置组成 其工作原理为 通过电缆将 井下压力和温度数据传递到地面计算机 然后 根据井下压力变化利用计算机软 上海交通大学硕士研究生学位论文 件计算出液面的变化 从而可通过计算机自动控制变速驱动器 实现潜油电泵井 管理的自动化 2 潜油电泵电流 一电压记录监视器 利用电流一 电压记录监视器 可以自动记录和储存潜油电泵工作中的的电 流和电压变化 从而可以随时了解井下电泵机组的运行情况 并及时发现问题 及时得到处理 总的来说 随着潜油电泵应用越来越广泛 对潜油电泵提出了许多新的要 求 另一方面由于新产品的不断开发 机组的更新改造以及电泵采油工艺的发 展 使潜油电泵的应用领域更广阔 应用水平也不断得到提高 1 1 5 潜油电泵的特点 潜汕电泵主要用于油井大排量 抽吸液体 它和其它人工升举方法一 样 都是通过降低井底流动压力来增 加油井产量的 随着油田开采时间的 延长 含水率的不断上升 利用潜油 电泵来保持或提高油井产量已成为 一种发展趋势 潜油电泵和其它机械 采油方法相比较 有其它机械采油方 法无法比拟的优点 同时也有一定的 局限性和缺点 电潜泵井场布置如图 1 2 所示 l 潜油电泵的优点 大排量采液是这种采油方法 的主要优点 但是 目前潜油电泵 也较多地应用于产液较低的油井 在我国潜油电泵已可用于产量为4 0 m 3 d 左右的油井 这种泵能把油井中上部水 层的水注到下部的注水层中 操作简单 管理方便 在市 区应用有利于美化环境 能够较好的运用于斜井与 水半井以及海上采油 容易处理腐蚀和结蜡 嘲1 2 上海交通大学硕士研究生学位论文 容易安装井下传感器 并通过电缆将压力信号传递到地面 以便进行压力 测量 检泵周期较长 油井生产时效相对比较高 有利于原油生产 2 潜油电泵的缺点 潜油电泵下入深度受电机额定功率的限制 油井套管尺寸和井底高温使 电泵的下入深度受到限制 大型高功率设备没有足够的环形空间冷却电机 会造 成电机的损坏 由于多级大排量高功率潜油电泵比较昂贵 使得初期投资较高 特别是 电缆的费用比较高 如果需要抗腐蚀或耐高温费用则会更高 由于整套装置都安装在井下 一旦出现故障 需要起出全部管注进行修 理 造成作业费用增加和停产时间过长 井下高温容易是电缆出现故障 高温 腐蚀和磨损可能造成电机损坏 高 气油比会使升举效率降低 而且会因气锁使泵发生故障 动力源仅适用于采用电源 对于没有电源的零散井 不适用此种采油方法 1 2 本论文的背景 电动潜油离心泵 简称电潜泵 是一种高效率 适合于高产 深井的机械 采油设备 电潜泵质量的好坏一方面会对采油厂 即用户 的采油生产量 采油 生产成本有真接的影响 另一方面与电泵生产厂家的信誉也有着直接的关系 电 潜泵的质量好 用户产油量高 生产成本降低 用户满意 电潜泵生产厂家因此 信誉度高 销售量大 效率好 所以对电潜泵生产厂家来说 生产的电潜泵必须 要经过相关性能指标的确认即要对每批产品进行试验 确保每项性能指标都满足 要求 所以对电泵生产厂家而言 迫切需要对所生产的电泵进行性能测试 而电 潜泵中的核心零件是导叶轮 结构如图卜3 所示 而导叶轮的曲面形状很复杂 形状的微小变化会对性能产生很大影响 而它与泵的各项性能标之间的关系还没 有很合适的数学关系 因此 泵公司的导时轮制造厂在设计制造出一批导叶轮模 具后 判断该批导叶轮的性能好坏要通过实际测试 若测试性能全部满足要求 则该模具设计成功 可进行大批量生产导叶轮 否则 必须重新设计制造模具 本课题就是基于这一目的而产生 并且已得到胜利油田无杆采油泵公司 长兴电 泵有限公司的肯定和支持 目前 世界各国无杆采油泵技术发展迅速 设备不断更新 工艺技术日趋完 善 无杆采油泵在采油设备中所占比例越来越大 在电潜泵整套机组设计制造方 面 以美国r e d a 公司最权威 而胜利油田无杆采油泵公司的技术是在1 9 8 2 年通 过引进r e d a 公司的技术 然后消化改进后发展起来的 现在已成为我国电潜泵 上海交通大学硕士研究生学位论文 图1 3 导n 轮结构蚓 制造厂家中的佼佼者 而国内外的所有电潜泵方面的技术资料完全保密 无从查 找 当然也包括电潜泵的检测技术 因此本课题是在没有任何先例参考的情况下 产生的 难度相对较大 如果课题设计成功将填补国内石油电潜泵行业的空白 1 i3 课题设计的主要内容包括 1 3 1 试验台的论证与可行性分析 试验台的论证与可行性分析是在交大导师和企业导师的指导下 由我与胜利 油田无杆采油泵公司的有关专家联合论证 双方均认为方案合理可行 可进入研 制阶段 1 3 2 试验台的设计 试验台的设计是本课题的主要工作之一 主要包括动力系统 循环系统 检测系统三大部分 1 3 3 试验台的加工与安装调试 试验装置的加工由甲方负责联系 安装与调试由本人与甲方合作共同协调 进行 6 上海交通大学硕士研究生学位论文 第二章试验装置的研制 机电一体化系统的设计一般可分为规划设计 方案设计 技术设计 工艺设 计 试制与调试 可靠性设计和编制各种技术文件等阶段 规划设计阶段是在详 细调查的基础上 根据市场需求 生产批量 工作对象的特点 性能和参数要求 等 应用系统工程和价值工程进行可行性分析论证 确定设计的目标和具体任务 方案设计阶段是根据系统的目的功能和各种要求 从中选出最佳方案 技术设计 是对机械系统和电控系统分别进行总体设计 优先考虑选择市场上可供应的合适 的通用或专用的功能部件和元 器件及材料 无合适的则要自行设计 完成各部 件及总体草图设计 本装置的设计完全自行在调查研究的基础上进行设计的 2 i 立式五级导叶轮电潜泵测试台的总体要求 根据泵公司对试验台的要求 提出了如下基本功能和性能要求 1 能准确测量出泵的出口压力 流量 输入轴的扭矩 转速等参数 进而 计算得出泵效 扬程等性能参数 测试精度达到g b 3 2 1 6 规定的c 级标准 2 全部数据采集由计算机执行 并对有关的数据进行处理 自动绘制数据 报表 性能曲线 并随时打印 3 对泵的性能测试点可以任意选择9 点 1 l 点 1 3 点进行 4 系统的工作要求及条件 泵的稳定转速为2 8 5 0 r p m 试验介质为清水加入防锈剂的乳化液 被测试泵的出口压力应在0 0 8 m p a 范围之内 额定流量3 0 5 0 0 方 天 最大流量为1 0 0 0 方 天 泵长0 5 0 8 m 安装方式为 立式 环境温度为o 一5 0 2 2 总体设计 2 2 1 总体结构 试验台的总体结构设计 为满足上述功能 该试验台由微机 电机 微机扭 矩仪 扭矩止推体 排出联接体 循环管路 流量计 压力变送器 精密压力表 电动调节阀 罐体等部件组成 如图2 1 所示 电机 微机扭矩仪 扭矩止推体 排出联接体组成动力系统 主要功能是为 模型泵提供动力和 个稳定的转速 循环管路 各种阀门和罐体组成循环系统 主要功能是能使循环介质流动顺 畅 阻力小 液体流动形式简单 7 上海交通大学硕士研究生学位论文 计算机 各种传感器组成检测系统 主要功能是对试验参数进行采集 处理 生成数据报表和试验曲线 为正确判断该批导叶轮是否合格提供分析依据 图2 i 总体方案 2 2 2 工作原理 根据机械原理可知 泵效 输出功率 输入功率 而电潜泵的输入功率等于转 矩与角速度的乘积 输出功率等于流量与出口压力的乘积 泵的扬程可有出口压 力换算得出 因此该测试系统所需测试的参数为扭矩 转速 流量 出口压力 然后由计算机按编定程序进行采集运算 计算得出泵效 扬程等性能参数 泵工 况点通过电动调节阀来调节 采集结束后 计算机即可按程序输出泵的特性曲线 及测试数据表格 22 3 动力系统方案 电动机带动转速扭矩变送器 通过联轴器 排出联接体带动泵轴旋转 泵安装时 其吸入口朝下浸入罐内液体中 排出口与排出联接体通过一变径 接头用卡箍相连 变径接头有四种规格 以适应泵径的变化 排出联接体固定在机座上 一方面为泵传递动力 另一方面又是泵排出液体 的通道 其上端能实现轴向密封 径向为排出通道 2 2 4 循环系统方案 上海交通大学硕士研究生学位论文 泵吸入口浸入液体中 液体自下而上经泵 排出联接体至排出管线 排出管 线有两部分组成 一是排出总管 其上装有压力变送器 精密压力表和手动 电动 调节阀 二是排出总管有两条 各装有 个电磁流量变送器 用以测试不同范围的 流量 2 2 5 测试系统方案 所需测试的泵基本参数有 排出压力p m p a 流量q m 3 s 轴的功率n k w 泵的工况点通过调节手动 电动调节阀来改变 压力的测量 由安装在泵出口的精密压力表或压力变送器测出 流量的测量 由安装在泵排出支管上的两个电磁流量变送器测出 测量范围 为o 一1 0 0 0 方 天 轴功率的测量 有两套系统 1 通过安装在泵出口的微机转速扭矩变送器测出扭矩和转速 再换算成轴 的功率 2 测出电机电压和消耗的电流 再换算成轴功率 流量 压力 扭矩 转速 功率均可由二次仪表数字显示 计算机对上述测 试所获得的数据进行处理 即可打印出泵的特性曲线 根据现场实际 为使整套装置结构既紧凑又满足要求 经综合考虑确定试验 台总体尺寸 3 0 1 0 x 8 1 0 2 1 5 0 2 3 动力系统设计 试验泵采用三相异步电动机作为动力 从电动机到泵的排出端 动力传递应 考虑以卜i 训题 1 泵轴扭矩转速测量仪器 2 泵的排出问题 3 各部件之间的联接 因此 必须加设扭矩转速仪器和排出联接体 简图2 2 如下 1 电动机2 联轴器3 扭矩转速仪4 扭矩止推体5 排出联接体 图2 2 动力系统结构原理图 9 上海交通大学硕士研究生学位论文 2 3 1 电动机转速的确定 为能正确反映系统的实际工作情况 根据现场工作的要求 确定泵的实际 工作转速为n 2 8 5 0 r p m 即电动机的转速稳定在2 8 5 0 r p m 2 3 2 电动机功率的计算 为j 7 计算出电机的功率 需要首先计算出泵的功率 泵的类型不同 功率也 各不相同 本设计取其中最大功率值作为确定电动机功率的依据 据参考资料 可知 采油泵每套 4 节 最大的轴功率为1l o k w 每节的功率为 1 1 0 4 2 7 5 k w 每节有4 0 级叶轮 故五级叶轮泵的轴功率为 n 2 7 5 8 3 4 4 k w 考虑到电机与泵之间还有其它部件 其总传递效率 经计算为0 9 1 则电 机功率为 n 1 2 5 n 0 9 1 4 7 3 k w 这里1 2 5 为电机的功率储备系数 另外由技术要求知电机转速为2 8 5 0 r p m 查手册 选用y 系列封闭式三相异步电动机 型号为y 1 3 2 s 一2 其额定功率为 j 5 k w 转速为2 9 2 0 r m i n 2 3 3 电机调速原理与电机调速方案的确定 三相异步电动机调速是在某一转矩下 调节转速使它为某一指定值 根据转 差率的定义 s 型 1 一旦 啊n i n n 1 s 6 0 f p 1 s 南此可见 异步电动机的调速方式可分为变极对数 变转速差率及变定子 供电频率三种 变极对数调速 由公式可知 在频率一定时 改变旋转磁场的转速与电动 机定子的极对数即可改变同步转速n 从而达到调速的目的 用改变定子极对数 的办法来调整则须在电动机运行时改变定予线圈的按法 或在定子上绕上独立的 2 套或3 套不同极对数的线圈 这样势必增加电动机的成本 体积和重量 因为 电动机的极对数必须是整数 即p l 2 3 此种方法是改变电机定子绕组接线 方式实现调速的 通常得到的是二极 叫做双速电动机 还有三速 四速电动机 由于设计和制造的原因 目前只能做到四速 尽管这种调速有许多缺点 但毕竟 1 0 上海交通大学硕士研究生学位论文 能满足某些调速的要求 因此在工业上不少需要调速的地方就用这种方法 变速差率调速 此种调速方法有四种 第一是转子串电阻调速 该调速方 法由于机械特性很软 低速运行时负载稍有变化转速就波动很大 调速精度很差 一般多用于起重机等场合 第二是定子电压调压调速 此种方法的电机损耗与转 差率成正比 低速时损耗严重 效率很低 往往要降低电动机的容量运行 即选 用容量较大的电动机 通常用于电梯及卷扬机械中 第三是电磁转差离合器调 速 通常将电磁离合器与异步电动机做为一个整体 称为滑差电动机 其优点是 装置及控制线路简单 价格便宜 常用在纺织 印染 印刷等机械上 缺点是低 速运行时损耗大 效率低 对要求调速范围较大 且长期运行在低速的设备中是 不适宜的 第四是串级调速 串级调速完全克服了转子串电阻调速方法的缺点 它具有高效率 8 5 一9 3 无级平滑调速 较硬的低速机械特性 可实现闭环控 制装置较简单等优点 其主要缺点是功率因数较低 满载运行时也只有0 6 左右 变频调速 异步电动机的变频调速是通过改变定予供电频率来改变同步转 速而实现调速的 在调速中从高速到低速都可以保持较小的转差率 因而消耗转 差功率小 效率高 可以认为 变频调速是异步电动机的唯一最为合理的调速方 法 随着电力电子技术和微机应用的不断发展 能够提供一种合乎异步电动机调 速要求的变频电源装置 与结构简单的异步电动机组成调速系统 在调速性能上 能和直流电动机调速系统相媲美 因此 目前异步电动机的变频调速越来越受到 人们的注意 已经在很多领域得到了应用 在我国也被列为重点的技术推广项目 变频调速除了充分发挥异步电动机的一系列为直流电动机所没有的优点外 还有 下列优点 一是较高的效 率和功率因数 由于异步 电动机在调速过程中是运 行在很小的转差率情况 下 所以转差率小 效率 高 二是调速范围宽 频 率f 可以在低于和高于工 频电源频率的范围内调 节 低频率从几赫兹开始 反i 高频率可达几百赫兹 因 而只有宽的调速范围 三 是由于采用微型计算机控 制 变频调速系统开环运 图2 3 电气控制原理图 上海交通大学硕士研究生学位论文 行时已有相当的精度 若采用速度闭环控制 则可得到很高的调速精度 因此 从调速性能来说 变频调速是交流调速系统中比较理想的调速方法 本试验装置的电机调速采用变频器调速 选用松下系列变频器 图2 3 为电气控制原理图 2 3 4 排出联接体设计 排出联接体的结构如图2 4 所示 图2 4 排出联结体结构i 矧 l 轴承盏螺钉2 一轴承盖3 剥 承4 一外壳5 一一专动轴6 一机械密封总成7 毡圈 8 膏簧9 一挚片1 卜轴承捎油环n 一轴套 1 排出联接体的功能 1 为泵传递动力 2 作为泵排出液体的通道 即排出的液体经该部件排至排出管口 2 总体方案的设计 为了实现功能 1 即为泵传递动力 该部件的动力传递轴一端与下部的 泵相联 另一端与上部的转速扭矩仪联接 为了实现功能 2 即作为泵排出液体的通道 排出的液体经该部件排至排 1 2 上海交通大学硕士研究生学位论文 出管口 在该部件的外壳下端接泵体 并能够实现轴向密封 在外壳中部开水平孔 接引泵的排出总汇 排出联接体通过一变径接头用卡箍相连 变径接头有四种规格 以适应泵径的 变化 2 3 5 止推体设计 该部件是由于设计者与泵公司之间协调出现差错而不得不采用的一个部件 设计要求转速扭矩变送器为立式 而厂方在购买设备时购得一卧式设备 因此 只 能把卧式设备当作立式来使用 为使设备能正常工作 而不影响设备的测试精度 故设计了止推体结构 经现场试验证明 卧式扭矩仪加扭矩止推体的联合使用 与立式扭矩仪的 使用效果基本相同 通过对所测试的参数进行分析得出结论 传感器的测试精度 和重复性都能满足测试要求 止推体结构图2 5 所示 l 一轴2 一嫘栓3 一密划罔4 一垫片5 一端盖6 1 k 摊体7 轴承 幽2 一j 止推体结构i 划 上海交通大学硕士研究生学位论文 至此 动力系统的主要结构已经全部介 绍 其实际结构如图2 6 所示 动力系统的主 要结构均安装在动力支座上 动力支座固定在 罐体上 确保了动力系统的结构稳定性 动力支座结构如图2 7 所示 图2 6 动力系统结构图萎 2 4 循环系统设计 2 4 1 循环系统的功能 循环系统包括管路和罐体两部分 其 中 管路包括总管路和支管路两套结构 其主要功能有 i 储存足量的试验介质 2 能测试出液体的性能参数 如压力 流量等 3 该系统能稳固可靠地支撑住与其相 联的动力传动系统 2 4 2 循环系统的总体设计 一 一 蘼 一一 2 i 1 l 一 影 厂 以 八 动力传动部分安装在液罐上 并通过 1 嚣轰豪茎荽嚣3 卡箍与动力部分相连 它的排出管线和测试仪器均 筋板4 传动部分支承鹰 安装在液罐的台面上 泵的吸入口浸入液体中 液 5 平板 体从下而上经排出联接体到排出总汇 排出总汇由 两部分组成 1 排出总管 装有压力变送器 精密压力表 电动调节阀 手动调节阀和两 个流量计 压力变送器 测管路内的压力 1 4 上海交通大学硕士研究生学位论文 精密压力表 测管路内的压力 电动调节阀 用于远距离调节泵的工况点 即通过改变调节阀阀口开启度的 大小 来改变泵的压力和流量等性能参数 手动截止阀安装在电动调节阀之后 只有在测泵空流量工况时 才将其全部 关闭 其它工况点测试时全开 设置手动截止阀的目的是 1 防止高供压 小流量时 电动调节阀的阀口被冲坏 2 电动调节阀失效后作备用调节阀 压力变送器和精密压力表同时测量内的压力 为何同时在同一位置设置两 个功能相同的表呢 有两个原因 1 判断两表是否都正常工作 如果两个表的压力读数相差不大 则说明两个表都正常工作 如果两个表 的压力读数相差很大 则说明两表中有 个工作不正常了 2 作为备用 压力变送器极易损坏 它损坏后 信号随即消失 则可由精密压力表的读数 用键盘直接输入计算机 进行数据处理 2 排出支管 排出支管有两条 各安装有规格不同的流量计 用于测量不同范围的流量参 数 当泵的流量小于某一值时 用小规格的流量计 当泵的流量高于某一值时 用 大规格的流量计 但两个流量计不能同时使用 因此 必须在两条支路上均设置 有截止阀 2 4 3 管路的设计 对循环管路的最佳要求是 1 水力损失要小 2 有一定的强度 3 焊接后不得漏水 1 管径及管壁厚度计算 3 确定箭径的基本原则 对于操作工况 管径主要取决于流量和流速 而不同性质和操作工况的介质 应选取不同的流速 粘度大的介质 流速应低些 反之流速应高些 为防止管路产 生冲蚀 磨损 震动和噪声 一般液体介质流速不应超过3 m s 对于基建投资和操作费用而言 管路基建投资在设备总投资中占很大比重 增大管径会导致管子 管件和阀门重量的增加及成本的提高 对基建投资影响很 大 反之减少管径可减少基建投资 但随着流速的增加 流体阻力损失会加大 并产生冲蚀 磨损 震动和噪声 对操作费用影响很大 因而应综合考虑基建投 卜海交通大学硕士研究生学位论文 资和操作为维修费用确定管径 b 管径计算与确定 对长度较短 管径较小的管路 一般可由常用流速计算其管径 其计算公式 如下 拈 j 詈 式中 d 一一管径m u 一体积流量 m 3 s v 一常用流速 m s 按发汁最人流量q 5 0 0m 天 体积流量u o 0 0 8m 3 s 取常用流速v 2 2 m s 有 捌 再吐s 孪一o 嗍m 取最大管径为中8 0 m m c 管壁厚度计算 计算公式如下 归嚣 c 式中s 一管壁厚度 m m p 一管内介质压力 m p a d 一管子外径 m l n o 一工作温度下的管材许用压力 m p a 1 l 一管予纵向焊缝系数 对无缝1 l 1 c 一一管壁厚度附加值 m m 查表 3 2 5 1 2 0 2 5 0 m p a 查表 3 2 5 1 6k i 5 d n 8 0 管 外径8 9 m m s 万p d 杪一 7 8 m m 取标准厚度s 3 5 m m d n 4 0 管 外径4 8 m m s 2 丽p d c 吐 咖 6 上海交通大学硕士研究生学位论文 取标准厚度s 3 m m 2 管路联接 管路联接包括管子与管子 管子与管件及管子与阀门的联接 其主要方式有 承插 螺纹 法兰和焊接联接 a 承插联接 承插联接的优点是安装方便 且允许两管中心有一定偏差 其缺点是难以拆卸 且不适用于较高压力 承插连接多用于铸铁管 混凝土管 石棉水泥管和陶土管等 b 螺纹联接 螺纹联接是最常用的管路联接方式之一 用于管路联接的螺 纹主要有圆锥形管螺纹和圆柱形管螺纹 螺纹联接是可拆联接 多用于水 煤气 输送管路 公称压力p n 不超过1 m p a 公称通径d n 6 5 m m 介质温度t 1 5 0 c c 法兰联接 法兰联接是一种常用的管路联接方式 其优点是拆卸方便 密封性能可靠 它适用于各种公称压力 公称通径范围的工业管路 缺点是结构 庞大 成本较高 d 焊接联接 焊接联接是将两根管子对焊在一起 它也是一种常见的管路 助 按形 兀沦是钢管 有色金属管 还是聚乙烯塑料等管均可采用 焊接联接 一般在现场进行 其优点是施工方便 成本较低 密封性能绝对可靠 其缺点无 法拆卸 焊接联接仅使用于对密封性能要求特别严格 且不需要拆卸的管路 尤 其使用于通径大 距离长的管路或真空管路 对需要经常拆卸的管路或施工现场 不允许动火的管路则不应当采用 综上所述四种常见的管路联接方式 根据本装置的具体情况 本装置的管 路连接方式综合采用法兰联接和焊接联接形式 先将法兰与管路对焊 然后将法 兰与法兰之间用螺栓联接即可 本连接方式结构简单 使用于各种压力和温度的 管路 3 管路阻力损失计算 管路阻力损失包括沿程阻力损失 局部阻力损失 静压阻力损失和加速度 阻力损失 a 沿程阻力损失 直管段的阻力损失是由于内摩擦而引起的 其计算公式如下 a h 丑j 一l 1 0 3 聊液柱 2 9d 卸 旯芷 j m p o 2 9 1 0 0 d 式中幽 印 直管段沿程阻力损失 7 上海交通大学硕士研究生学位论文 摩擦系数 y 介质重度n 一 v 介质流速 m s g 重力加速度9 8 1 m s 2 l 一一直管长度 m d 一管内径 m i l l d n 8 0 管 d k 8 0 o 2 4 0 0 k 一营j 当量粗糙度 表 1 3 2 5 2 0 由图旧3 2 5 一1 6 查 o 0 3 8 a d d a 芝2 9 志 9 州旷m p a d n 4 0 管 d k 8 0 0 2 2 0 0 由图 3 2 5 1 6 查x o 0 4 2 锄 a 芝2 9x 志 2 s 灿 3 峋