潜油螺杆泵密封特性与举升性能分析.pdf
《潜油螺杆泵密封特性与举升性能分析.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《潜油螺杆泵密封特性与举升性能分析.pdf(7页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、Hydraulics Pneumatics&Seals/No.8.2023doi:10.3969/j.issn.1008-0813.2023.08.007潜油螺杆泵密封特性与举升性能分析童华仁,王世杰(沈阳工业大学机械工程学院,辽宁沈阳110 8 7 0)摘要:为了充分认识螺杆泵的密封特性与举升性能,采用数值仿真软件对平面螺杆泵进行接触非线性分析,研究不同腔室压力下压差与接触应力的关系,并结合密封准则求出不同腔室压力下的临界密封压力,绘制出两者间的关系曲线,然后,研究了过盈量和橡胶硬度与临界密封压力之间的关系,给出了不同过盈量和橡胶硬度下的临界密封压力曲线,并采用多项式拟合方法给出临界密封压力
2、与腔室压力之间的关系式。紧接着根据螺杆泵压力传递规律,分析了过盈量和橡胶硬度与螺杆泵扬程之间的定量关系,并研究了举升压力随密封腔数的变化规律。研究结果表明:接触应力随压差的增大而增大,随腔室压力的增大而减小;腔室之间的临界密封压力随腔室压力的增大而较小,且减小的速度逐渐变快,但此规律不受过盈量和橡胶硬度大小的影响;在相同腔室压力下,过盈量和橡胶硬度越大,临界密封压力就越大,螺杆泵的密封性能就越好;螺杆泵的扬程随过盈量的增大而呈线性增大,随橡胶硬度的增大而呈非线性增大;螺杆泵的举升压力随密封腔数的增加而增大,但增速逐渐变缓,最终达到一个最大值,这个最大值就是螺杆泵所能达到的最大举升压力,然后通过
3、螺杆泵水力特性试验验证了结果的合理性。研究结果可为螺杆泵的研发以及实际应用提供借鉴参考。关键词:潜油螺杆泵;举升性能;临界密封压力;过盈量;橡胶硬度中图分类号TB42Analysis of Sealing Characteristics and Lifting Performance for Screw Pump(School of Mechanical Engineering,Shenyang University of Technology,Shenyang 110870,China)Abstract:In order to fully understand the sealing cha
4、racteristics and lifting performance of screw pump,numerical simulation software wasused to analyze the contact nonlinearity of plane screw pump,and the relationship between pressure difference and contact stress under differentchamber pressures was studied.Combined with sealing criteria,the critica
5、l sealing pressure under different chamber pressures was obtained,draw the relationship curve between them,and then study the relationship between interference,rubber hardness and critical sealing pressure,and the critical sealing pressure curves under different interference and rubber hardness were
6、 given,and the relationship formula betweencritical sealing pressure and chamber pressure was given by polynomial fiting method.Then,according to the pressure transmission law ofscrew pump,the quantitative relationship between interference,rubber hardness and screw pump head is analyzed,and the chan
7、ge law oflifting pressure with the number of sealed cavities is studied.The results show that the contact stress increases with the increase of pressuredifference and decreases with the increase of chamber pressure.As chamber pressure increases,the critical seal pressure between the chambersdecrease
8、s,and the decreasing speed gradually becomes faster,but this rule is not affected by excess and rubber hardness.Under the samechamber pressure,the greater the interference and rubber hardness,the greater the critical sealing pressure and the better the sealingperformance of screw pump.The lift of sc
9、rew pump increases linearly with the increase of interference;It increases nonlinearly with theincrease of rubber hardness.The lfting pressure of screw pump increases with the increase of the number of sealed cavities,but the growth rategradually slows down and finally reaches a maximum value,which
10、is the maximum lifting pressure that screw pump can achieve.Then,therationality of the results is verified by the hydraulic characteristic test of screw pump.The above research results can provide reference for thedevelopment and practical application of screw pump.Key words:screw pump;lfting perfor
11、mance;critical sealing pressure;interference;rubber hardness收稿日期:2 0 2 2-0 8-11基金项目:辽宁省“揭榜挂帅 科技攻关项目(2 0 2 1JH1/10400084)作者简介:童华仁(19 9 8-),男,吉林榆树人,硕士研究生,主要从事螺杆泵举升性能方面的研究。文献标志码:A文章编号:10 0 8-0 8 13(2 0 2 3)0 8-0 0 3 5-0 7TONGHua-ren,WANG Shi-jie0引言在原油开采过程中,潜油螺杆泵是一种重要的人工举升无杆泵采油设备 1-5】,被广泛应用在高黏度、高含砂、高气液比
12、的浅井、水平井、斜井、定向井以及海上石油作业平台 6-7 35液压气动与密封/2 0 2 3 年第8 期相比于其他采油设备,潜油螺杆泵具有能耗低、占地面积小、无杆管偏磨、采油作业连续、稳定、不存在气锁且具有破乳作用等一系列优点 8 ,因此备受国内外油田的重视。但由于目前对潜油螺杆泵的研究工作尚未成熟,致使螺杆泵因受举升压力(扬程))的限制不能用于深井石油开采 9-10),这在一定程度上限制了螺杆泵采油技术的发展。未能充分发挥螺杆泵采油所具有的技术优势。而且随着国内外深井油田数目的不断增多、开采难度也变得越来越大,提高螺杆泵的举升压力成为急需解决的难题。螺杆泵主要是通过定转子间啮合形成的密封腔不
13、断推移从而来实现对原油的抽取工作 11-12 ,在此过程中,螺杆泵举升压力的形成主要取决于密封,密封性能的强弱将会直接影响螺杆泵的举升压力,而过盈量和橡胶硬度是影响螺杆泵密封性能的两个主要因素,但目前针对过盈量和橡胶硬度对螺杆泵密封性能和举升压力的影响研究甚少。基于以上原因,笔者利用有限元分析软件中的接触非线性方法分析过盈量和橡胶硬度对螺杆泵密封特性和举升性能的影响,给出过盈量、橡胶硬度与螺杆泵的临界密封压力以及扬程之间的关系,为螺杆泵的研发提供数据支撑。1螺杆泵密封准则与压力传递规律1.1密封准则如图1所示,在定子橡胶衬套的半圆处,衬套与螺杆之间是线啮合,曲线将密封腔室分割开来,具有线密封作
14、用,一般泄漏不会发生在线啮合位置。而在两个平行直道上,定转子之间是点啮合,点啮合的密封效果远远不如线啮合,所以,泄漏通常发生在点啮合位置。点啮合图1不同啮合位置的定转子平面模型点啮合将螺杆泵定子型腔分成一左一右两个腔室,当左右两型腔间的压差大于点啮合处的接触应力时,螺杆泵就会被击穿发生泄漏。当压差小于等于接触应力时,螺杆泵就可以正常举升石油,此时,把接触36应力与压差相等时的接触应力就称为临界密封压力,所以点啮合位置的密封条件应满足:Ap式中,Ap一一相邻腔室之间的压差,MPa一一接触应力,MPa定转子过盈配合所产生的衬套对螺杆的挤压力、腔室压力以及腔室间压差都会影响螺杆泵的接触应力,除此之外
15、,接触应力还受到螺杆泵的材料力学性能影响。吸入口Po1.2压力传递规律螺杆泵工作主要分三个阶段:油液的吸入、油液的传递以及油液的排出。由于螺杆泵定转子之间通常采用过盈配合,使得螺杆泵内部被分隔成多个密封腔室,如图2 中的pI和pa-1。由于螺杆的自转和公转,密封腔内的油液从泵的吸人口逐渐推移至泵的排出口,最后进人输油管内,随着油管内油液的增多使得液柱不断的变高,泵的排出端压力Pa也越来越大,同时,泵排出端a与(a-1)腔室间的压差也在持续增大,当两腔室间的压差大于密封带上薄弱位置处的接触应力时,定转子间啮合处将会因密封失效而泄油,此时油液会从排出端a流进(a-1)腔室,使得该腔室的压力 Pa-
16、1不断增加,而两腔室间的压差将不断减小,直到两腔室间的压差不大于密封带上薄弱位置处的接触应力时,密封才会重新形成,螺杆泵内部会重复此过程,直至将油液输送到地面。这时,螺杆泵的抽油和排油过程将线啮合达到一种动态性平衡状态。泵的排出端压力P。将不会再增加,螺杆泵内部会形成一个相对稳定的压强场,除吸人口腔室以外,该泵有a个密封腔(泵级数是a),则螺杆泵内部腔室的压力分布规律为:P.=Po+2 Pi+1a-1i=0式中,P。一泵的密封腔压力,MPaPo吸入口压力,MPaAPi(i+1)相邻腔室之间的临界密封压力,MPa2有有限元模型的建立螺杆泵由定子(金属外壳和橡胶)和金属转子组(1)PIPa-1图2
17、螺杆泵结构示意图排出端Pa(2)Hydraulics Pneumatics&Seals/No.8.2023成,因橡胶的弹性模量比金属转子和金属外壳的小许压力的影响。多,所以将定子金属外壳和转子定义成刚体。建立转3.1临界密封压力计算方法子直径48 mm、转子偏心距8.5mm、定子橡胶外径为因此,笔者对螺杆泵的低压腔室分别施加0,3,5,100mm的GLB-800单螺杆泵二维有限元模型,如图37,9MPa压力载荷,而高压腔室则施加不同的压差载所示,定子橡胶选用硬度为7 0 HA时的超弹性Mooney-荷。经过有限元分析计算,得出了不同腔室压力和不Rivlin本构模型二参数进行有限元数值模拟,Ci
18、o=1.14,同压差时的接触应力值,进而确定临界密封压力。由Col=0.02,泊松比取0.49 9,橡胶密度12 0 0 kg/m。转于篇幅有限,表1仅列出了低压腔室压力为5 MPa,高子材料选用合金钢,合金钢材料具有线弹性各向同性压腔室为不同压差时的接触应力值。其余腔室压力下的特点,弹性模量取2 10 GPa,泊松比取0.3,密度不同压差的接触应力绘制成压差与接触应力的关系曲7200kg/m,定转子之间采用过盈配合,过盈量取线,如图4所示。0.3mm。为简化模型将约束条件直接作用在去除金属1.1外壳的定子橡胶衬套外壁上。1.00.9F0.80.70.60.50.30.20.1图3 单螺杆泵二
19、维有限元模型00.10.20.3(0.40.50.60.70.80.91.01.1由于泄漏经常发生在定转子点啮合位置,因此文腔室压差/MPa中所有分析都是基于转子的位置在螺杆泵定子衬套中图4不同腔室压力下压差与接触应力的关系曲线心进行计算的,在螺杆泵平面有限元模型中,转子将定由表1和图4可知,接触应力与腔室压力和相邻子型腔分隔成左右两个腔室,假设左腔室为低压腔,右腔室之间的压差息息相关。当压差相同时,接触应力腔室为高压腔,并施加压力载荷进行数值模拟计算。随着腔室压力的增大而减小;当腔室压力一定时,接触接触问题作为固体力学研究中的一重要部分,它应力随着压差的增大而增大,并且变化近似呈线性。是比较
20、抽象的。对于接触模型来讲,模型中的参数变不同腔室压力下的接触应力曲线的斜率近似相同,即量不仅需要满足固体力学方程和初始边界约束条件,不同腔室压力下单位压差的接触应力增速近似相同。同时还需要满足接触面上的接触约束条件,即保证相互接触的两个对象之间不能互相渗透,因此,要选择合适的接触刚度值以防止渗透的发生。在接触过程中,接触状态由分离、滑动及粘结接触构成。在此三种接触状态下,接触面上所受的应力及应变都不相同,且彼此间还发生相互转化,从而使接触问题具有高度非线性的特征 13 。因此,笔者采用增强拉格朗日法来解决定转子间的接触非线性问题3螺杆泵密封特性分析通过对螺杆泵的密封准则和压力传递规律介绍可知,
21、要研究过盈量和橡胶硬度对螺杆泵密封性能的影响,首先需给出腔室之间的临界密封压力的计算方法,然后计算并分析过盈量和橡胶硬度对螺杆泵临界密封+0 MPa3MPa+5MPa+7 MPa9MPa+压差表1低压腔室为5MPa时接触应力有限元计算结果MPa低压腔室压力高压腔室压力5.0005.0005.0005.2005.0005.4005.0005.6005.0005.800根据密封准则以及表1中的数据可知,0.8 MPa压差属于螺杆泵泄漏压差,此时接触应力为0.7 3 0 MPa。0.6MPa压差属于螺杆泵未泄漏压差,此时接触应力为0.640MPa。根据密封准则可确定临界密封压力在37压差0.0000
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 螺杆 密封 特性 性能 分析
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。