螺桿泵教材2005

1、螺桿泵的相關(guān)知識,本章主要講解的內(nèi)容,一)螺桿泵基礎(chǔ)知識,二)螺桿泵運動學(xué)及動力學(xué)基礎(chǔ),三)螺桿泵系統(tǒng)的種類、組成及工作原理,四)螺桿泵的工作特性,五)螺桿泵泵型及結(jié)構(gòu)參數(shù),一)、螺桿泵基礎(chǔ)知識,螺桿泵是螺桿式流體輸送機械的一種，是擺線內(nèi)嚙合螺旋齒輪副的一種應(yīng)用。螺桿泵的轉(zhuǎn)子、定子副（也叫螺桿襯套副）是利用擺線的多等效動點效應(yīng)，在空間形成封閉腔室，并當轉(zhuǎn)子和定子作相對轉(zhuǎn)動時，封閉腔室能作軸向移動，使其中的液體從一端移向另一端，實現(xiàn)機械能和液體能的相互轉(zhuǎn)化，從而實現(xiàn)舉升作用。螺桿泵又有單頭(或單線)螺桿泵和多頭（或多線）螺桿泵之分,1：2結(jié)構(gòu) 2：3結(jié)構(gòu) 3：4結(jié)構(gòu) 4：5結(jié)構(gòu),單螺桿泵由哪幾部

2、分組成,1-下接頭；2-限位銷；3-定子；4-轉(zhuǎn)子；5-上接頭,單螺桿泵由定子和轉(zhuǎn)子組成。定子由鋼制外套和橡膠襯套組成，轉(zhuǎn)子由合金鋼的棒料經(jīng)過精車、鍍鉻并拋光加工而成。轉(zhuǎn)子有空心轉(zhuǎn)子和實心轉(zhuǎn)子兩種,螺桿泵定子是用丁腈橡膠襯套澆鑄粘接在鋼體外套內(nèi)而形成的一種腔體裝置。定子內(nèi)表面呈雙螺旋曲面，與轉(zhuǎn)子外表面相配合,沿著螺桿泵的全長，在轉(zhuǎn)子外表面與定子橡膠襯套內(nèi)表面間形成多個密封腔室；隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，在吸入端轉(zhuǎn)子與定子橡膠襯套內(nèi)表面間會不斷形成密封腔室，并向排出端推移，最后在排出端消失，油液在吸入端壓差的作用下被吸入，并由吸入端推擠到排出端，壓力不斷升高，流量非常均勻,螺桿泵工作原理是什么,螺桿泵工作

3、的過程本質(zhì)上也就是密封腔室不斷形成、推移和消失的過程,一)、螺桿泵基礎(chǔ)知識,螺桿泵定、轉(zhuǎn)子的線數(shù)及線型,目前所應(yīng)用的螺桿泵線數(shù)均采用N/N+1形式，即定子的線數(shù)總是比轉(zhuǎn)子的線數(shù)多一線，這是由空間嚙合理論所決定的。螺桿泵的線數(shù)與螺桿數(shù)量是兩個根本不同的概念，不應(yīng)混為一談,定轉(zhuǎn)子齒形類型主要有以下兩種： 以短幅外擺線的內(nèi)等距線作為螺桿的原始齒形曲線，其共軛曲線作為襯套的齒形曲線。 以短幅內(nèi)擺線的外等距線作為襯套的原始齒形曲線，其共軛曲線作為螺桿的齒形曲線,螺桿泵有哪些結(jié)構(gòu)參數(shù),e 轉(zhuǎn)子偏心距，mm； D 轉(zhuǎn)子截圓直徑，mm； T 定子導(dǎo)程，mm,螺桿泵三個重要的結(jié)構(gòu)參數(shù),在螺桿泵參數(shù)設(shè)計過程中，這

4、三個基本結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理選擇及相互之間的合理配比顯得尤為重要，它們直接影響著螺桿泵的工作特性和使用壽命,現(xiàn)場應(yīng)用中，根據(jù)選用泵的型號可計算出理論排量， 公式如下,式中： Q螺桿泵理論排量，m3/d； q螺桿泵每轉(zhuǎn)排量，ml/r； n轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，r/min,螺桿泵理論排量如何計算 ,理論排量公式如下,螺桿泵作為水力機械必須要滿足以下三個必要 ： 1、定、轉(zhuǎn)子能夠互相匹配 能夠滿足一般齒形嚙合運動的要求。 2、轉(zhuǎn)子和定子襯套能夠保證密封性 轉(zhuǎn)子和定子襯套間能形成多個密封腔室，以充滿工作液體。 3、密封腔室能夠不斷推移 轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動能夠使密封腔室連同其中的工作液體連續(xù)地沿軸向推移，并在推移過程中進行機械能

5、和液體能的相互轉(zhuǎn)化,螺桿泵的三個基本要求是什么,條件,螺桿泵綜合了柱塞泵和離心泵的優(yōu)點，即在不同的壓力條件下流量改變很小，而且流量非常均勻； 無閥，對氣的適應(yīng)性好，不會產(chǎn)生“氣鎖”現(xiàn)象（柱塞泵）和 “氣蝕”現(xiàn)象（離心泵）； 結(jié)構(gòu)方面的特點：運動件很少（只有轉(zhuǎn)子一個運動件）、流道短而且簡單，過流面積大，油流擾動小，因此攜帶能力強； 對砂、蠟的適應(yīng)性好，能夠在高粘原油中以較高的效率工作； 螺桿泵的各種優(yōu)點是相對而言的，對于一些特殊介質(zhì)，也會對螺桿泵的水力特性產(chǎn)生一定程度的影響，但相對抽油機和電泵而言，敏感性較小,A,B,C,D,E,螺桿泵的特點及優(yōu)點是什么,二)、螺桿泵運動學(xué)及動力學(xué)基礎(chǔ),1、螺桿

6、泵運動學(xué)特征,1）螺桿泵定、轉(zhuǎn)子型線 單頭單螺桿泵的定轉(zhuǎn)子實質(zhì)是由普通內(nèi)擺線的外等矩線作為定子型線，而與之共軛的曲線作為轉(zhuǎn)子型線的空間共軛曲面,轉(zhuǎn)子可視為半徑為R的圓片沿著螺距為t、偏心為e的螺旋線連續(xù)移動所形成的軌跡,轉(zhuǎn) 子 結(jié) 構(gòu),定子襯套曲面是由兩個半徑為R（轉(zhuǎn)子半徑）的半圓和兩條長度為4e的直線段組成的封閉對稱曲線以長度T（T=2t）為導(dǎo)程螺旋旋轉(zhuǎn)形成空間螺旋曲面,定子結(jié)構(gòu)圖,y1,2e,2e,x1,R,t,O1,x1,y1,O1,2e,2e,R,A,A,定子型線,嚙合線方程,線嚙合線方程為,在某一時刻對于線嚙合線在空間表現(xiàn)為間隔T/2的軸向長度的一條平面半圓（半徑為R）曲線，而點嚙合

7、線表現(xiàn)為兩條對稱間距為2R的兩條螺旋狀曲線,點嚙合線方程為,螺桿泵定轉(zhuǎn)子的嚙合分為兩類嚙合，一類是轉(zhuǎn)子與定子襯套半圓處的嚙合-線嚙合，另一類嚙合是轉(zhuǎn)子與定子襯套直線段的嚙合-點嚙合,2=-1,A、轉(zhuǎn)子中心的運動規(guī)律 a、角速度的關(guān)系,轉(zhuǎn)子的自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn),2） 轉(zhuǎn)子運動規(guī)律分析,1、螺桿泵運動學(xué)特征,A、轉(zhuǎn)子中心的運動規(guī)律 b、運動軌跡及速度,轉(zhuǎn)子,定子,點嚙合,線嚙合,點嚙合點速度,線嚙合點速度,轉(zhuǎn)子截面中心速 度,嚙合點最大和最小滑動速度,T,TZ,Fa,Fy,F,軸向力: 橫向力: 慣性力,負載扭矩: 傾倒力矩: 摩擦扭矩,二)、螺桿泵運動學(xué)及動力學(xué)基礎(chǔ),2、螺桿泵動力學(xué)特征,2、螺桿泵動力

8、學(xué)特征,2、螺桿泵動力學(xué)特征,三)、螺桿泵系統(tǒng)的種類、組成及工作原理（以采油為例,1、螺桿泵系統(tǒng)的種類,地面驅(qū)動單螺桿泵系統(tǒng),潛油電機驅(qū)動單螺桿泵系統(tǒng),5個優(yōu)點,結(jié)構(gòu)簡單,維護方便,節(jié)能效果 明 顯,一次性 投資少,螺桿泵的優(yōu)點,適應(yīng)性強,螺桿泵技術(shù)以能有效降低成本提高效益諸如離心泵、潛污泵、水力活塞泵等機采方式無法比擬的優(yōu)點而倍受國內(nèi)外行業(yè)重視，并有望成為未來特殊介質(zhì)主要傳輸方式之一,2、螺桿泵系統(tǒng)的組成,1）電控部分 電控箱是螺桿泵的控制部分，控制電機的啟、停。該裝置能自動顯示、記錄螺桿泵井正常生產(chǎn)時的電流、電壓等，有過載、欠載自動保護功能，確保生產(chǎn)井正常生產(chǎn),三)、螺桿泵系統(tǒng)的種類、組成

9、及工作原理,2）驅(qū)動部分 驅(qū)動裝置是螺桿泵的主要設(shè)備，是把動力傳遞給泵轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子實現(xiàn)行星運動，實現(xiàn)輸送的機械裝置。從傳動形式上分，有液壓傳動和機械傳動；從變速形式上分，有無級調(diào)速和有級調(diào)速,螺桿泵驅(qū)動裝置的,種類,機械驅(qū)動裝置,液壓驅(qū)動裝置,2、螺桿泵系統(tǒng)的組成,機械驅(qū)動裝置傳動部分是由電動機和減速器等組成，其優(yōu)點是設(shè)備簡單，價格低廉，容易管理并且節(jié)能，能實現(xiàn)有級調(diào)速且比較方便。其缺點是不能實現(xiàn)無級調(diào)速。 液壓驅(qū)動裝置是由原動機，液壓電機和液壓傳動部分組成。其優(yōu)點是可實現(xiàn)低轉(zhuǎn)速啟動；轉(zhuǎn)速可任意調(diào)節(jié)；因設(shè)有液壓防反轉(zhuǎn)裝置，減緩了轉(zhuǎn)桿倒轉(zhuǎn)速度。其缺點是在寒冷季節(jié)部件和管線保溫工作較難，且價格相對

10、較高，不容易管理。 （1）減速箱的主要作用是傳遞動力并實現(xiàn)一級減速。它將電機的動力由輸入軸通過齒輪傳遞到輸出軸，輸出軸聯(lián)接光桿，由光桿通過抽油桿將動力傳遞到螺桿泵轉(zhuǎn)子。減速箱除了具有傳遞動力的作用外，還將轉(zhuǎn)桿的軸向負荷傳遞到介質(zhì)上。 （2）電機是螺桿泵的動力源，它將電能轉(zhuǎn)化為機械能。一般用防爆型三相異步電機。 （3）密封的作用是防止流體流出，起密封的目的。 （4）方卡的作用是將減速箱輸出軸與光桿聯(lián)接起來,螺桿泵驅(qū)動裝置,四)、螺桿泵的工作特性,p,MPa,螺桿泵工作特性曲線,q,m3/d; v,T,N.m;P,kW,1、排量特性,密封腔室產(chǎn)生、運移和消失規(guī)律,一個封閉腔室的產(chǎn)生和消失不總是同時

11、發(fā)生; 封閉腔室的數(shù)量不總是固定的; 線嚙合線密封能力是點嚙合線密封能力的2倍,1、排量特性,密封腔室的漏失特性,定、轉(zhuǎn)子嚙合點無間隙，即=0時，漏失量為零，封閉腔室完全密封； 因工作壓力，故增加泵級數(shù)會降低每個密封腔室的密封壓力，從而減少漏失； 因嚙合線處的間隙是由工作壓力P產(chǎn)生的，所以增加定、轉(zhuǎn)子間的過盈會有效減少間隙，從而達到減小漏失的作用； 提高工作轉(zhuǎn)速n會有效補償漏失，這就是螺桿泵的離心泵特性,漏 失 量,1、排量特性,1、排量特性,四)、螺桿泵的工作特性,2、負載特性,桿柱軸向力特性,螺桿泵在正常工作時, 軸向力為,Fz-轉(zhuǎn)子在液壓力作用下的軸向載荷，N ，由上式計算； Fg-桿柱

12、自重引起的軸向載荷，N； Fr-桿管環(huán)空液壓力引起的軸向力載荷， N； Ff-桿液摩擦引起的軸向載荷， N,A,式中： i-第i段流體平均粘度，Pa.s； vi- 第i段流體平均流速 ，m/s； Di- 第i段油管內(nèi)徑 ，m； di-第i段抽油桿直徑，m,式中 Gi第i段桿柱的單位重力， N/m； li-第i段桿柱的長度 ，m； L抽油桿柱的長度，m,式中 D- 轉(zhuǎn)子載面直徑，m； d- 最下一級抽油桿直徑，m,2、負載特性,桿柱負載扭矩特性,舉升井筒流體的扭矩,式中: Ty -流體的扭矩， N.m； -泵出口壓力，MPa； -泵入口壓力，MPa,桿液的摩擦扭矩Tf,式中: Tf-桿液的摩擦扭

13、矩 ， N.m； n- 轉(zhuǎn)子工作轉(zhuǎn)速，r/min,B,2、負載特性,負載特性的主要特點,泵轉(zhuǎn)子扭矩曲線,螺桿泵轉(zhuǎn)子扭矩與工作壓力有很好的直線性，且摩擦扭矩在舉升具有潤滑性的液體時，只占轉(zhuǎn)子負載扭矩的較小一部分,3、 能耗特性,螺桿泵的能耗主要消耗在輸送流體的驅(qū)動桿柱的能耗和驅(qū)動系統(tǒng)的傳動能耗。輸送系統(tǒng)的能耗一般可用傳動效率來表征。螺桿泵系統(tǒng)總的能耗計算如下,而有功能耗為,四)、螺桿泵的工作特性,無功損耗為,螺桿泵系統(tǒng)的系統(tǒng)效率為,式中:e,D,t螺桿泵的結(jié)構(gòu)參數(shù)； t驅(qū)動系統(tǒng)的傳動效率,3、 能耗特性,五)、螺桿泵泵型及結(jié)構(gòu)參數(shù),在螺桿泵輸送系統(tǒng)中，由定子和轉(zhuǎn)子組成的是整個系統(tǒng)的核心設(shè)備。諸如大慶油田等公司在相關(guān)工程的設(shè)計理論、加工工藝及方法、水力特性的檢測與評價等方面進行了大量的科研攻關(guān)，取得了一系列科研成果，形成了適應(yīng)不同排量范