往复泵和空气包原理

1、第一章往复泵泵是一种输送液体的机械，它把原动机 的机械能或其它能源传递给液体，借以增 加液体能量。根据结构特征和作用不同，泵可分为三 个基本类型。1CL）容积式泵：依靠包容液体的密封工作空 间容积周期性的变化，把能量周期性地传递给 液体，使液体的压力增加到将液体强行排出。往复泵：螺杆泵属于这一类。(2)叶轮式泵依靠旋转的叶轮对液体的动力作 用，把能量连续地传递给液体，使液体的速度能 (为主)和压力能的能量增加，随后通过压出室将 大部分速度能转换为压力能。如离心泵，轴流泵和 旋涡泵属于这一类。3 I (3)其它类型泵如射流泵,5水锤泵等。往复泵是一种典型的容积泵。它包容液 体的密封工作空间容积由

2、于活塞（或柱塞） 的往复运动而产生周期性变化，从而把活 塞（或柱塞）运动的机械能转变成为液体的 压能。它在石油矿场上应用非常广泛。它常常 用于高压下输送高粘度、大密度和高含砂 量的液体，而流量相对较小。7在钻井过程中，需要携带出井底的岩屑 和供给井底动力钻具的动力，这种用于向 井底输送和循环钻井液的往复泵，被称为 钻井泵或泥浆泵。为了加固井壁，向井底注入高压水泥 的往复泵被称为固井泵或水泥泵；为了造成油层的人工裂缝，提高原油 产量和采收率，用于向井内注入含有大量 固体颗粒的液体或酸碱液体的往复泵，称 为压裂泵；10抽油杆Sucker rod上出油鱷U|3 口令fl(JW valvePlurig

3、-er下出油陶Lower flow valven*Jwn i=在采油过程中，用于在井 内抽汲原油的往复泵，称为抽 油泵；等等。进油鸿Inflow valveBarrel图钻井泵工作示意图1 液缸：2聒塞；3吸入阀;心排出阀；&阀塞；匕吸入管;7排出管：&曲柄：9连杆#-十字头：11活寒杆13:L1.1往复泵的工作原理图11是卧式 单缸单作用往复 泵不意图。工作时，动 力机通过皮带, 传动轴，齿轮 等传动部件带 动主轴及固定 于其上的曲柄 旋转。图钻井泵工作示意图1 液缸：2聒塞；3吸入阀;心排出阀；&阀塞；匕吸入管;7排出管：&曲柄：9连杆#-十字头：11活寒杆13S2r图口钻井泵工作示意图1

4、 液缸；2聒塞;3吸入阀；心排岀烁5阀黑匸吸入管;7*出管：&曲柄：9琏杆：10十字头：11活塞杆当曲柄从水平位置 自左向逆时针旋转时, 活塞向右边亦即泵的 动力端移动，液缸内 形成一定的真空度， 吸入池中的液体在液 面压力Pa的作用下， 推开吸入阀，进入液 缸内，直到活塞移到 右死点位置为止。这 个过程，称作液缸的 吸入过程。14fl,$2r图钻井泵工作示意图1-液缸：2-活塞；3-吸入阀；4排出阀；&阀塞；6.吸入管;7推出符：&曲柄：9连杆：10十字头：11.活塞杆曲柄继续转动，活 塞开始向左亦即泵的液 力端移动，缸套内液体 受到挤压，压力升高， 吸入阀关闭，直到缸内 压力升高到大于排出

5、管 线上的压力，排出阀被 推开，液体经排出阀和 排出管排出，直到活塞 移到左死点为止。这一过程称作液缸 的排出过程。15曲柄连续旋转，每一周内活塞往复运动一 次，单作用泵的液缸完成一次吸入和排出过 程。在吸入和排出过程中，活塞移动的距离以 S表示，称作活塞的行程长度：曲柄半径用r 表 o它们之间的关系为：S = 2r1.1.2往复泵的分类按照结构特点，石油矿场用拄复泵大致 可按以下四方面分类：1 按缸数分:有单缸泵、双缸泵、三缸 泵、四缸泵等。2按作用方式分:有单作用式和双作用 式两种。仃单作用式泵如 图1 1所示，其 活塞在液缸内往 复一次，该液缸 作一次吸入和一 次排出。18图1“钻井泵工

6、作示意图液缸；2活塞；3吸入阀；排出阀：5阀塞；&吸入管;7推出管：&曲柄：9连杆：10-十字头：11活赛杆18图12双作用式往复式泵缸示意图双作用式泵如图1 2所示，液缸 被活塞分为两个工作 室，无活塞杆的为前 工作室，有活塞杆的 为后工作室，每个室 都有吸入和排出阀。双作用泵，活塞 往复运动一次，其液 缸完成吸入过程和排 出过程各二次。19213 按液缸的布置方案及其相互位置分: 有卧式泵、立式泵、V形泵、星形泵等。21图钻井泵工作示意图1 液缸：2活塞；3吸入阀；4排出阀；5阀郵6吸入管;7推出槪：&曲柄：9连ff： 10-十字头：11活赛杆21式样分: 泵-1)#图13柱塞泵示意图通常

7、以泵的上述主要特点来区分各种 不同类型的泵，如单缸单作用立式柱塞泵、 双缸双作用卧式活塞泵、三缸单作用柱塞 泵等。1.13往复泵的基本参数反映泵基本工作性能的参数有：1 泵的排量：泵的排量是指单位时间内泵通过 管道所输送的液体量。排量通常以单位时间内的体积表示，称作体积i非量，代表符号为Q,单位为l/s或rrP/s。2 泵的压力：泵的压力通常指泵排出口处液体的压力, 代表符号为P,单位为MPa。3 泵的功率和效率：单位时间内动力机传到往复泵主轴上的 能量，称为泵的输入功率。以N主表示。而单位时间内液体通过泵后所获得的能 量称为泵的有效功率，或输出功率，以N 表1泵的功率单位一般为kw,现场也习

8、惯 用马力（HP）来表示。泵的总效率张为N2瓦4 泵速泵速是指单位时间内活塞或柱塞的往复 次数，也称作泵的冲次，以n表示，单位为冲/min。12往复泵的排量1.2.1往复泵的平均排量：往复泵的排量与活塞面积F(m2),活塞 冲程S(m)以及冲程次数n(冲/min)有关。往复泵在单位时间内理论上应输送的 液体体积，称作泵的理论平均排量Q理均。290妙=汕I 側間肝多蹄腺或0討刚60对于双作用往复泵，活塞往复一次，各 液缸输送液体两次，液体体积为(2F-f)So 设泵的缸数为i,则i缸双作用泵的理论平 均排量为：则i缸双作用泵的理论平均排量为0理均=2F f)snm3/min或 0 理论=， sn

9、沧 (1-3)理论60式中：f活塞杆截面积m2实际上，往复泵工作时，由于吸入 阀和排出阀不能及时开启或及时关闭； 泵阀、活塞和其它密封处可能有高压液 体漏失；泵缸中或液体中含有气体而降 低吸入充满度等等，都可能使泵的实际排量降低。33122往复泵的排量曲线1 瞬时排量由于往复泵活塞速度是变化的，故每个液缸 的排量也因之而变化。设活塞的截面积为F,活塞运动速度为u则单缸泵在排出过程的理论瞬时排量为:Q 瞬=Fum3/s35图14为曲柄滑块机构传动的往复泵运动简 图，它将泵主轴的等速旋转运动（角速度3）转变 为活塞的往复直线运动。3S = 2r图1-4往复泵运动简Y-COSitW-Cy- sin-

10、i)z5 口 K O因为：r/L0.2, sin(p1, 所以：(r/L) 2xsin2(p/J 于是得：cp = Ocoscp = l X-r+L （右死点）cp=n/2 coscp = 0 X-L C/r/L很小，L与X轴夹角很小，二XuLjcp=Ti coscp = l Xu r+L=Lr （左死点） cp = 2tt/3 cos（p = 0 X-Lcp = 2n coscp = l X-r+L （右死点）因为活塞冲程：S= (r+L) -X=(r+L) (rxcoscp + L)=rr*coscp=r (1 coscp)即：S = r (1 coscot)所以:u = S = r*si

11、ncot*co = r*co*sincota = uf =叱 oscot*co = r*co2 叱 oscot39往复泵得瞬时排量：因为：微体积 AV=FxAS 式中：F 活塞面积；S 微位移；所以:lullAS=ii)Af T 0#因为:所以：0瞬=Fxu = Fx3siri3t2m 7mco= =6030所以：对于单缸双作用泵，其瞬时排量为:眼=一盒F恥sin （p（兀W 2冗）41#冗（1-9 1 =占（尸一/）刖Sin。（兀 Wq W H）60对于多缸泵，其瞬时排量为每一液缸在同一瞬时输送的液体量之和。2 往复泵的排量曲线往复泵工作时，各液缸（或工作室）及 泵的瞬时排量按一定规律变化，

12、如果以曲 柄转角为横坐标，排量为纵坐标，即可 作出泵的瞬时排量和平均排量随曲柄转角 变化的曲线，称之为泵的排量曲线。图1-5为单缸单作用往复泵的排量曲线。图15单缸单作用泵排量曲线45图1-6双缸双作用往复泵的排量曲线。1-6双缸双作用泵结构简图及排量曲线图1- 7三缸单作用泵示意图及流量曲线图1-7三缸单作用往复 泵的排量曲 线。45中引线均 程将管量 过釦使排 的波而的 周的动泵 一量波望 度动排的希 均转该力们 柄，压人 曰曲的和， 量在化量中 :E，变流行 “泵是上运 卜复都线的 5往量管泵。 夂的排出复稳 往型时排往平 3类瞬和在作 乙何论入。工 1-任理吸动， 其起振匀 均一 3e

13、m一=5)lom 瞬m和X a mQ 中式亍唱0 竇W0W晶0TBSSM咏畫釐K-实齧对于双缸双作用泵，二曲柄互成90。角，其排羅曲线图16所示。 当 =5 x /4 时，max60(57JFnsl sin 兀 + sin 兀I 44当9 =0,兀/2时，由式(13)(2F _ Z)FitsjFns 60 60 3 = - 2 Fns60兀一 1. + 2（2 - ）双缸双作用钻井泵的fTF值一般在0.30.15范围内， 氏 则在0.330.48之间o对于三缸单作用泵，曲柄互成討，排量曲线如图所示。显然，三缸单作用泵与双缸双作用泵相比，排量均匀，泵工作平稳。对于三缸单作用泵，曲柄互成討，排量曲

14、线如图所示。兀时,3显然，三缸单作用泵与双缸双作用泵相比，排量均匀，泵工作平稳。对于三缸单作用泵，曲柄互成討，排量曲线如图所示。显然，三缸单作用泵与双缸双作用泵相比，排量均匀，泵工作平稳。对于三缸单作用泵，曲柄互成討，排量曲线如图所示。显然，三缸单作用泵与双缸双作用泵相比，排量均匀，泵工作平稳。对于三缸单作用泵，曲柄互成討，排量曲线如图所示。当外、2冗、3显然，三缸单作用泵与双缸双作用泵相比，排量均匀，泵工作平稳。对于三缸单作用泵，曲柄互成討，排量曲线如图所示。7LQ = Qmin=-Fns- = -FnS显然，三缸单作用泵与双缸双作用泵相比，排量均匀，泵工作平稳。对于三缸单作用泵，曲柄互成討

15、，排量曲线如图所示。显然，三缸单作用泵与双缸双作用泵相比，排量均匀，泵工作平稳。对于三缸单作用泵，曲柄互成討，排量曲线如图所示。由式(12), Q理均=Fns60显然，三缸单作用泵与双缸双作用泵相比，排量均匀，泵工作平稳。对于三缸单作用泵，曲柄互成討，排量曲线如图所示。(1 0866加 = 0.141 Fns60显然，三缸单作用泵与双缸双作用泵相比，排量均匀，泵工作平稳。1.2.4往复泵的排量系数往复泵的实际工作过程与理论工作过程有一定的差异，而使泵实际排量小于理论排量，具体分析如下：#1 吸入过程在排出终了和吸入开始的瞬间，排出阀 由于滞后不能及时关闭，余隙容积（活塞在 前死点位置时的工作腔

16、容积）中的液体压力 仍等于排出压力。因此，当活塞向右移动 时，工作腔内的液体压力不可能骤降，而 是逐渐下降，使排出阀关闭。泵内压力低 于吸入管线压力时，吸入阀开启，液体才 开始吸入，所以泵的实际吸入行程要比理 想的短。此外，在吸入过程中存在着高压液体通过已 关闭的排出阀密封面向工作腔的泄漏（对于双 作用泵，还存在另一工作腔的高压液体通过活 塞密封面向低压侧的泄漏）；外界空气通过密封不严密处进入工作腔；溶解在液体中的气体因压力降低而析出以及 液体吸入时带进来的气体，这些都占据了一定 的工作腔容积，使实际吸入的液体小于行程容 积，造成容积损失。2 排出过程在排出开始瞬间，吸入阀由于滞后也不能 及时

17、关闭，以及液体在高压下的可压缩性（特 别是工作腔内含有气体则更为明显），使工作 腔内的液体压力不可能骤增，而是逐渐升高， 直至吸入阀关闭，腔内压力大于排出管线压力 后，排出阀开启，液体才开始排出。实际排出 行程也要比理论行程短，在排出过程中也存在 高压液体通过吸入阀密封面以及活塞，填料箱 等密封处向低压侧的泄漏，使实际排出的液体 量小于行程容积。综上所述，导致实际排量小于理论排量的主 要原因是：吸入和排出过程开始阶段的冲程损失，压缩 液体和气体等引起的冲程损失和各密封处的漏失 损失。即一方面由于实际进泵液体小于理论排量， 另一方面由于进泵后获得能量的液体存在漏失。往复泵的实际排量与理论平均排量

18、之比称为泵的排量系数。=2=22(1-12)Q理均。理均Q充容 式中：Qi _ 转化流量，即单位时间内从泵获得能量的液体量;J 充满系数，它考虑液缸中含有气体及阀门滞后关闭 对排量的影响。充=Qi /0理均;帀容一 容积效率，表征由于密封面的漏失对实际排量的影响。13往复泵的压头、功率和效率1.3.1复泵的有效压头液体的位置水头，压力水头和速度水头 分别表示单位重量液体所具有的位能，压 能及动能大小。它们之和是液体的总水头, 即单位重量液体所具有的总能量，以j/n 表 o55图1-8往复泵压头计算示意图图1 8所示的泵和管 线系统，由于泵对液体 作功，即把机械能传递 给液体，液体本身能量 将增

19、加，如以N表示重量 单位，以N.M(即J)表示能 量单位，以H表示单位重 量液体由泵获得的能量， 则H的单位为(J/N) 称作泵的有效压头或扬 程。57由图1-8,在断面I 一 I及IV-IV处，其能量平衡方 程式为jp22匕- + -+H = 2- + Z +巴-+ E 方(142)他 2gpg2g式中:入池与排出池液面上的压力，MPa?59uu4 收入池与排出池液面上液体的流速，m/s；Z吸入池与排出池液面的高度差，m,Z = Z1+Z22h 入管和排出管段内总的水头损失，J/N,吸+ SH 泵的有效压头，J/N。泵的吸入阀和排出阀以及液缸内的水 力损失全部属于泵内损失，它影响泵的效 率，

20、但不包括在管路损失之内。变换式(112)可得p _ p H 2 _ n 2H = Z+ _ + (M3) Pg2g即泵的有效压头H等于排出池液面与吸 入池液面的总比能差，加上吸入和排出管 线中水头损失。这就是说泵供给单位重量 液体的能量，是用在提高液体的总比能和 克服全部管线中的液体流动阻力两个方面一般地，ux 0, w4 0,且当乙=好肘，式(113)变为H = Z + Zh(144)59在这种情况下，泵的有效压头就等于 排出池与吸入池液面高度差和管路中的水 头损失。在特殊情况下，如钻井泵用于钻井时, 吸入池与排出池也往往是公用的，即H = 2h钻井泵供给钻井液的能量全部用于克 服管路中和钻

21、头喷嘴的阻力。以上各式都不能直接确定泵的有效压 头，实际上，现场多采用比较简便的办 法，直接确定泵的有效压头。如图1-8 所示,在泵入口处（口一II断面）安装真空 表，在泵出口处（Din断面）安装压力表。 因为：表压力=绝对压力一大气压力 （绝对压力大气压力）真空度=大气压力一绝对压力 （绝对压力 大气压力）62以 耳 代表压力表指示的压力，以代表真空表指示的真空度,则为所以，泵的有效压头为刃=如一H = - + + “排一“吸 +Pg PS 2g(1-16)式中：IIL 分别为泵排岀口处和吸入口处液体比能式中：H_泵排出口与泵吸入口处的高差，即压力表与真空表的高度差，m；知一泵排出口处的液体

22、流速，m/s； P毎一泵排出口处的液体压力，MPa； % 泵吸入口处的液体流速，m/s； P吸一泵吸入口处的液体压力，MPao在一般往复泵中，吸入泵与排出管直径般相等或相近, 故式（口3）可变为/ = + + 0（1-17）PS PS在实际计算中，由于泵的排岀压力（表压力）一般较高,达几十个MPa,而真空度人和高差叫相对较小，可以略去不计。因此，现场通常用表压力代表泵的有效压头,钻井泵压与压力降的关系为P = P# + 以(1-18)管路压力由地面管汇(包括立管，水龙头和方钻杆)、 钻杆柱(包括接头)、钻铤、钻铤和钻杆柱外环空间等 一部分压力降组成，即P轡=卩汇+ P杆+ & + P环祗+ P

23、环杆(1“19)每一部分水头损失主要取决于泥浆的 性能及其在管道中的流型，流速和管长等 因素，管路尺寸愈长，井愈深，水头损失 愈大。在管路尺寸一定的条件下，管路水 头损失与流量平方成正比，即P 管= BQ2o66在目前的喷射钻井中，当钻头的直径为150250mm时,(1-20)7. =7.5 15MPa对于中深井、深井和大尺寸钻具，由于煌不太大，可取P = 3P管（P浜PJ,使钻头获得最大水力功率；对于超深井和小尺寸钻具，由于饨;很大，可取P = 2P管,满足最大冲击力原则。13.2往复泵的功率设泵的有效圧头为h,重量排量qg ,则单位 时问内液体由泵所获得的总能量，即泵在 单位时 间内所输出

24、的功为N= QgH(1-21)Qa = QpS(1-22)P = Hpg(1-23)故式(1-21)又可以写为/V = P0xl()T kW(1-24)式中二p 输送液体的密度，kg/m3；Q 泵的实际平均排量，m3/s；N泵的输出功率 kWoN为泵的实际工作效果，因此称为泵的 有效功率，又称作泵的水力功率或输出功 率。显然，泵之所以能将能量传给液体，是 由于外界机械能输入的结果。假定发动机 （柴油机、电动机等）输送到泵主轴（或称传 动轴）上的功率为N主（或Np, 般称N主 为泵的主轴功率或泵的输入功率），由于泵内存在各种能量损失，所以,NpN。泵-Nig(1-25)(1-26)式中：张为泵的

25、总效率。钻井泵一般通过离合器及链条，皮带传动或变矩器与 柴油机（或电动机）相联。因此 动力机组应为泵组所能 配备的功率为KN側泵(1-27)式中:K-为动力储备系数，对于柴油机直接驱动K=ll； 对于直流电动机或柴油机液力魏器驱动，K=l;传一从动力机到泵组的传动效率。显然，用柴油机驱动钻井泵，应以其持续功率来计算。13.3往复泵的效率往复泵工斥过程申的功率损失，如图1 9 所示，包括以下几个方面：图1-9往复泵效率计算示意图1 机械损失AN机它是克服泵内齿轮传动、轴承、活塞、盘 根和十字头等机械摩擦所消耗的能量。泵输入功率N主减去这部分损失后所剩下 功率，称为泵的转化功率，即单位时间内由 机

26、械能转化为液体能量的那一部分功率，以 N j表不o73它全部用于对液体作功，提高液体的能量。N严Np 4V机M与M之比值称为机械效率，以表示 % = NZ(1-28)Nr = HrQfpg x 10 J kW (1-29) 式中：转化压头,即单位重量液体所得到的能量，J/N；Q转化流量,即单位时间内，获得能量的液体流量，m /So（加力触佻摘舷伽鹹琢關（縣艇邮助上粽喷先肺粧师轍压头z也mmH H履二=水 H, H+hI式中:h为融各酬力麒Z和3 容积损失AN漏泵实际排出的液体体积总比泵的理论排 出体积小，这是由于有一部分已经获得能 量的高压液体从活塞与缸套之间、活塞杆 与密封之间、阀与阀座之间

27、漏失所致。76实际排量Q与接受能量的转化流量Q 之比称为容积效率，以表示张 uQ/Qi（1-31）所以 弘勺诃M机（M2）泵的总效率可由试验测出，一般情况下,% =075090。这部分漏失的高压流体的体积为AQ漏, 它造成的能量损失为AN漏（见图1-9） o图1-9往复泵效率计算示意图14往复泵的吸入、排出过程和空气包141往复泵的正常吸入条件往复泵所以能从吸入池中吸入液体，是 由于活塞在液缸内运动，使缸内压力低于吸入池液面上的压力，在压力差的作用下液体 流进液缸。79MO往复泵吸入管线示意图80图_-10所示为往 复泵吸入流道示意 图。示意80吸入池断面为11断 面，由于液池很大，吸 入过程

28、中液面的变化速 度可视为零，即比动能 为零；断面上的压力为 大气压力Pa,即比压能 为Pa/pg。如果吸入池 是封闭確或用离心泵向 往复泵内灌注液体，则 Pa应为封闭液灌内液面 压力，或灌注泵出口压 力81在断面1-1处，液体的总比能为：E=Pa/pg在活塞断面2 2处，液体与活塞一起 运动，比动能为u2/pg;比位能是Z,Zo=Z十 7-2Z1为液面到吸入法兰的高差，Z2为吸 入法兰到泵的液缸中心的高差。#则液体的总比能为式中:式中:PS PS(1-33)(1-34)AR1 液体从吸入池表面流动到活塞端面过程中， 流道中的阻力损失水头；-惯性水头，单位重量液体由于惯性所消耗或得到的能量设液缸

29、内 的绝对压 力为P吸，f吸、人分别为吸入管线横截面积和长度;a活塞运动加速度；F液缸横截面积。83心吸入阀中的阻力损失水头；K惯克服阀盘惯性消耗的水头。往复泵在工作过程中，为了把液体吸 入液缸，应使液缸内的吸入压力小于吸 入池液面压力，即P吸VP*但缸内的吸 入压力也不能无限制地降低。因为当P吸小于或等于液体在该温度下 的汽化压力Pt时，部分液体就会在缸内 开始汽化，其结果将使泵的充满系数降 低，甚至产生气蚀现象。严重的气蚀将导致水击，使泵不能正常工作，甚至损坏泵的零部件。为了避免上述情况的发生，应使液缸内的最 小吸入压力P吸min始终大于液体的汽化压力。85液体的汽化压力和温度有关，温度不

30、同, 汽化压力也不同。表11中给出了几种液 体在不同温度下在汽化压力。开桃力()吒肌IK 3吒肌肌肌肌8QC肌100C水0.02 0.12 0.24 0,43 0.S75 1.25 2.02 3,17 4.82 7.4! 1033跚035 -0.8-1.42.63.8-8.7- 15,40.66 015 1.09 1.69 231 3.26 -W1)-0J8 032 0.55 09 1.46-11-1i St001115HH11iPlfta1WIMIMMJ胎9J Mil0肪W 8,1 M 7,II ww87因此，由式（134）,保证往复泵正常吸入的条件为:P殴PUl=- Z ( + 刀阻 +

31、方悟 + km)o0 惯 阻107maxPS P8堆Pg(1-35)由此得到往复泵的允许安装高度为Z W （妇 + %惯 + 心 + R惯）吋（136） Pg为保证液缸内的液体不发生汽化，往 复泵的实际安装高度z应小于允许安装 高度Z。,即ZZ0o为了改善往复泵的吸入性能，特别是提 高泵的自吸能力，一般可采取的措施有：1）减小h阻的具体措施有：缩短吸入管线 长度；适当增大管径；尽量少采用弯头和阀 门等。2）安装吸入空气包以降低吸入管中液体 的惯性水头。893）降低泵安装高度或提高吸入池液面高 度；采用罐吸或离心泵灌注。4）对冲次较高的往复泵，采用有效过流 面积较大的通孔阀以减小K阻和K惯。5）

32、降低冲次以减少h惯、K惯。4.2往复泵排出过程中液缸内的压力变化规律往复泵排除过程中，活塞挤压缸内液体, 使压力提高，以克服液体在排出流道中的 流动阻力和惯性力，以及排出阀的阻力和 惯性力，增加液体位能，并使液体具有一 定的流动速度。#1-11往复泵排出管线示意图1-11泵排 出过程示意图93与吸入过程类似，由图1-11所示泵排 出过程示意图，可以得到排出过程的能量 平衡方程式：pg pg(1.37)式中：人一排出过程中液缸内的压力；pk _排出管出口处液体压力；uk _ 排出管岀口处液体流速；Z* _ 排岀管出口处到液缸中心高差；妬、九排出流道中液体流动的阻力损失和惯性水头;K俎、K惯排出阀

33、中液流的阻力损失和惯性水头。PkPRr 1& |1Z一 1.1b1c一1 一dehpa厂fhflilxg/P樽Pg一 Z- 360300240180由图1 12可以看 出，由于活塞运动速 度不稳定而引起排出 流道中液流不稳定， 造成液缸内压力变化 很大。95图112往复泵排出压头变化示意图各种影响因素中，惯性水头的影响是 最大的，因为h惯与排出管线长度成正比, 故当泵速较高时，h惯可达到相当大的数O这样，在排出过程刚开始时，缸内压 头P排/pg很大，使泵的零件受到很大的 载荷；而在排出终了时，由于h惯达到最 大负值，有可能使p排/pg变为贪值或小 于汽化压头Pt/pg,导致液体与活塞脱 离，或

34、发生汽化。此外，排出压力的波动，使泵和动力机 负载不均匀，工作条件恶化。尤其当排出 压力变化频率与排出管线自振频率相同或 成整数倍时，将引起共振，使其无法正常 工作。因此，一般的往复泵（特别是钻井泵） 都配有排出空气包，以便尽可能降低或消 除排出管线中流动液体的惯性水头，减小 排出压力的波动（如图1 12中的虚线所示）。971.43空气包往复泵工用过程中，由于结构和工作特 点必然产生流量和压力的波动，除了使泵的 效率降低，吸入性能恶化，泵和管线使用寿 命缩短外，还将降低往复泵的使用效果，例 如在钻井过程中由于钻井液的排量和压力波 动，将降低泥浆携带岩屑的能力，甚至导致 井壁坍塌和漏失。因此，为

35、了改善往复泵的 工作条件，尽可能减少由于排量和压力波动 对往复泵工作的影响，必须将压力波动降低 到容许范围内。“目前常用的办法是在泵的吸入口和排出口处 配置空气包。空气包应尽可能安装在靠近泵的液 缸处，装在吸入口附近的称为吸入空气包，装在 排出口附近的称为排出空气包。F系列三缸单作用泥浆泵图854球形空气包1一底盘；2売体；3橡胶囊；4一顶盖;A充气鳳6压力克1 空气包的工作原理吸入空气包和排出空气 包都是一个内部充以一定压 力的氮气或空气的密闭容器: 其基本功能是利用气体的可 压缩性，随着吸入压力或排 除压力的变化，自动的向泵 或排出管线供给液体，或者 储存一部分来自吸入管线或 泵的液体，使

36、吸入总管内或 排除总管内液流均匀，惯性 力减小，从而降低压力憑动C但是自吸入空气包至泵缸或自泵缸至 排出空气包的支管内，其液流仍随着活塞 的运动规律而变化，空气包对这一段管线 不起调节作用。图1J3表示一个单作用液缸的吸入冲程中 吸入空气包的三个主要工作阶段。当吸入冲程 开始时，活塞的加速度使液缸内的压力P吸迅速 降低，在压力差作用下吸入阀打开，吸入管中 液体加速。LiI L2a这时，如果没有吸入空气包，则自活塞端 部到吸入液罐一段长距离(L1+ 1_2)管段内的液 体会突然被加速，产生阻碍液体流动的惯性水 头很大，使泵缸内压力急剧下降，甚至会引起 断流和汽化。LL2二a而在泵吸入口装吸入空气

37、包时，吸入开始阶段， 空气包内的液体在气体压力的作用下，经过吸入支 管进入液缸（图l-33a）,这时只有从活塞端面至空 气包这一段短距离（LJ管子内的液体被突然加速， 产生阻碍液体流动的惯性水头很小，保证液缸内压 力不会下降过大。L1 I L21a随着活塞继续运动，空气包仍向液缸供液。 由于空气包内液体量不断减少，而从吸入液罐 直接进入泵缸中的液体体积逐渐增多（图一当吸入空气包内气体压力低于吸入液 罐中液体压力时，空气包就停止向液缸供 液。b这时，由于活塞处于吸入冲程的后半段，作 减速运动，惯性力推着液体向前运动，所以吸入 液罐的液体很流畅地进入液缸，而多余的液体则 进入空气包（图l-33c）

38、C 1-13吸入空气包作用过程示意图吸入空气包内的液体量增多，压缩空 气，压力升高，又回到刚开始吸入时的 状态。在下一个吸入冲程开始时，空气 包又重复上述过程。108图114吸入压力波动曲线恥未装吸入空气包；b”装吸入空气包，充气压力PoO.UMPa；c装吸入空气包，充气压力Po-0.14Mpao图1 14表明, 对于同一台三缸 单作用钻井泵， 在其它条件相同 时，安装吸入空 气包，可以使吸 入总管中的压力 波动幅值降低8 倍左右。109排出空气包的作用原理和工作过程与吸入 空气包类似。在排出过程开始阶段，活塞加速, 泵排量增大，大于平均排量部分进入空气包， 使排出总管中的液体不至于被加速。而到排出 末尾，活塞减速，泵排量减小，空气包内液体 自动补充到排出管中，使排出总管内液体流速 平稳。从而减小了排出总管内的惯性水头，使 排出总管内的压力波动幅值降低。钻井泵的排出管线很长，如果不装排出空 气包，其中的惯性水头将是很大的，一台双缸 双作用泵的实测压力曲线表明，不装空气包时, 排出压力在5.2-11.7MPa范围内跳动。而安装空气包后，排出压力则在9.010.2MPa范围内变化。被动幅值减小约82%。2 空气包的结构早期采用的空气包是厚壁圆筒形，有的则 是用套管制造的，工作前其充满常压空气。 这种常压式空气包体积大，效果有限，且液 体与气体直接接触，高压下易溶于液体