两种线型三头单螺杆泵数值模拟与工作特性对比研究

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 螺杆泵工作原理及组成结构
• 1.1.1 螺杆泵工作原理
• 1.1.2 螺杆泵采油系统的组成结构
• 1.2 采油螺杆泵的发展及研究现状
• 1.2.1 国外螺杆泵的发展及研究
• 1.2.2 国内螺杆泵的发展及研究
• 1.3 潜油螺杆泵今后的发展方向及待解决的关键技术问题
• 1.3.1 潜油螺杆泵的发展方向
• 1.3.2 潜油螺杆泵设计中待解决的关键技术问题
• 1.4 等壁厚三头单螺杆泵采油系统的工作原理及特点
• 1.5 本课题研究的主要内容与研究方法
• 1.5.1 论文研究的主要内容
• 1.5.2 课题拟采取的研究方法
• 第二章 螺杆泵定转子成型原理及常用线型
• 2.1 螺杆泵定转子成型原理
• 2.2 摆线型线
• 2.2.1 摆线简介
• 2.2.2 短幅外摆线
• 2.2.3 短幅内摆线
• 2.3 等距曲线
• 2.4 小结
• 第三章 基于 MATLAB 的三头单螺杆泵线型建模及对比分析
• 3.1 短幅内摆线三头单螺杆泵线型的确定
• 3.1.1 短幅内摆线的外等距曲线（定子）
• 3.1.2 短幅内摆线外等距曲线的共轭曲线（转子）
• 3.1.3 基于MATLAB 的短幅内摆线三头单螺杆泵的数学建模
• 3.1.3.1 MATLAB 软件简介
• 3.1.3.2 定子—转子副端面线型的数学建模
• 3.1.3.3 短幅内摆线三头单螺杆泵过流面积、变幅系数及最大滑速的关系
• 3.1.4 结果分析
• 3.2 短幅外摆线三头单螺杆泵线型的确定
• 3.2.1 短幅外摆线的内等距曲线（转子）
• 3.2.2 短幅外摆线内等距曲线的共轭曲线（定子）
• 3.2.3 基于 MATLAB 的短幅外摆线三头单螺杆泵的数学建模
• 3.2.4 短幅外摆线三头单螺杆泵过流面积、变幅系数及最大滑速的关系
• 3.2.5 结果分析
• 3.3 两种线型三头单螺杆泵的对比分析
• 3.4 小结
• 第四章 两种线型三头单螺杆泵结构有限元分析
• 4.1 有限元法简介
• 4.1.1 有限单元法的发展概述及应用
• 4.1.2 有限元分析基本步骤
• 4.2 ANSYS 软件在本文中的应用
• 4.3 短幅内摆线外等距曲线三头单螺杆泵定、转子结构力学分析
• 4.3.1 在均匀内压下定子衬套受力变形分析
• 4.3.2 在纯过盈状态下定、转子接触分析
• 4.3.2.1 ANSYS 接触问题概述
• 4.3.2.2 接触问题的分类
• 4.3.2.3 用ANSYS 分析接触问题
• 4.3.2.4 用ANSYS 分析在纯过盈状态下定、转子的接触
• 4.3.3 在非均匀压力作用下定、转子的接触分析
• 4.4 短幅外摆线内等距曲线三头单螺杆泵定转子有限元分析
• 4.4.1 在均匀内压下定子衬套受力变形分析
• 4.4.2 在纯过盈状态下定、转子接触分析
• 4.4.3 在非均匀压力作用下定、转子的接触分析
• 4.5 两种线型三头单螺杆泵定、转子接触磨损有限元分析的对比
• 4.6 小结
• 第五章 两种线型三头单螺杆泵定子温度场分析
• 5.1 螺杆泵定子橡胶材料热源分析
• 5.1.1 橡胶材料简介及能耗原理
• 5.1.2 螺杆泵定子橡胶热量产生的机理
• 5.2 螺杆泵定子温度场分析理论基础
• 5.3 基于ANSYS 的温度场分析
• 5.4 定子温度场有限元结果分析与讨论
• 5.5 小结
• 第六章 螺杆泵定转子密封腔流体的流动特性分析
• 6.1 计算流体动力学基本原理
• 6.2 计算流体动力学的基本步骤
• 6.3 流体动力学基本控制方程
• 6.4 流场分析的边界条件
• 6.5 计算流体动力学（CFD）软件介绍
• 6.6 三头单螺杆泵定转子密封腔流体和转子内腔流体动力学分析
• 6.6.1 密封腔流体和转子内腔流体基本控制方程
• 6.6.2 螺杆泵密封腔流体和转子内腔流体的数值计算方法
• 6.6.3 定、转子密封腔内流体的数值分析
• 6.6.4 转子内腔流体数值分析
• 6.7 小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录