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Matlab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A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ANSYS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，以及定子橡胶温度场分析，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Pro/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。