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1、,螺杆泵的相关知识,本章主要讲解的内容：,(一)螺杆泵基础知识,(二)螺杆泵运动学及动力学基础,(三)螺杆泵系统的种类、组成及工作原理,(四)螺杆泵的工作特性,(五)螺杆泵泵型及结构参数,(一)、螺杆泵基础知识,螺杆泵是螺杆式流体输送机械的一种，是摆线内啮合螺旋齿轮副的一种应用。螺杆泵的转子、定子副（也叫螺杆衬套副）是利用摆线的多等效动点效应，在空间形成封闭腔室，并当转子和定子作相对转动时，封闭腔室能作轴向移动，使其中的液体从一端移向另一端，实现机械能和液体能的相互转化，从而实现举升作用。螺杆泵又有单头(或单线)螺杆泵和多头（或多线）螺杆泵之分。,1：2结构 2：3结构 3：4结构 4：5结构
2、,单螺杆泵由哪几部分组成？,1-下接头；2-限位销；3-定子；4-转子；5-上接头,单螺杆泵由定子和转子组成。定子由钢制外套和橡胶衬套组成，转子由合金钢的棒料经过精车、镀铬并抛光加工而成。转子有空心转子和实心转子两种。,螺杆泵定子是用丁腈橡胶衬套浇铸粘接在钢体外套内而形成的一种腔体装置。定子内表面呈双螺旋曲面，与转子外表面相配合。,沿着螺杆泵的全长，在转子外表面与定子橡胶衬套内表面间形成多个密封腔室；随着转子的转动，在吸入端转子与定子橡胶衬套内表面间会不断形成密封腔室，并向排出端推移，最后在排出端消失，油液在吸入端压差的作用下被吸入，并由吸入端推挤到排出端，压力不断升高，流量非常均匀 。,螺杆
3、泵工作原理是什么？,螺杆泵工作的过程本质上也就是密封腔室不断形成、推移和消失的过程。,(一)、螺杆泵基础知识,螺杆泵定、转子的线数及线型,目前所应用的螺杆泵线数均采用N/N+1形式，即定子的线数总是比转子的线数多一线，这是由空间啮合理论所决定的。螺杆泵的线数与螺杆数量是两个根本不同的概念，不应混为一谈。,定转子齿形类型主要有以下两种：以短幅外摆线的内等距线作为螺杆的原始齿形曲线，其共轭曲线作为衬套的齿形曲线。以短幅内摆线的外等距线作为衬套的原始齿形曲线，其共轭曲线作为螺杆的齿形曲线。,螺杆泵有哪些结构参数？,e 转子偏心距，mm；D 转子截圆直径，mm；T 定子导程，mm。,螺杆泵三个重要的结
4、构参数：,在螺杆泵参数设计过程中，这三个基本结构参数的合理选择及相互之间的合理配比显得尤为重要，它们直接影响着螺杆泵的工作特性和使用寿命。,现场应用中，根据选用泵的型号可计算出理论排量，公式如下：,式中：Q螺杆泵理论排量，m3/d；q螺杆泵每转排量，ml/r；n转子转速，r/min。,螺杆泵理论排量如何计算 ？,理论排量公式如下：,螺杆泵作为水力机械必须要满足以下三个必要 ：1、定、转子能够互相匹配 能够满足一般齿形啮合运动的要求。2、转子和定子衬套能够保证密封性 转子和定子衬套间能形成多个密封腔室，以充满工作液体。3、密封腔室能够不断推移 转子的转动能够使密封腔室连同其中的工作液体连续地沿轴
5、向推移，并在推移过程中进行机械能和液体能的相互转化。,螺杆泵的三个基本要求是什么？,条件,螺杆泵综合了柱塞泵和离心泵的优点，即在不同的压力条件下流量改变很小，而且流量非常均匀； 无阀，对气的适应性好，不会产生“气锁”现象（柱塞泵）和 “气蚀”现象（离心泵）； 结构方面的特点：运动件很少（只有转子一个运动件）、流道短而且简单，过流面积大，油流扰动小，因此携带能力强； 对砂、蜡的适应性好，能够在高粘原油中以较高的效率工作； 螺杆泵的各种优点是相对而言的，对于一些特殊介质，也会对螺杆泵的水力特性产生一定程度的影响，但相对抽油机和电泵而言，敏感性较小。,A,B,C,D,E,螺杆泵的特点及优点是什么？,
6、(二)、螺杆泵运动学及动力学基础,1、螺杆泵运动学特征,（1）螺杆泵定、转子型线 单头单螺杆泵的定转子实质是由普通内摆线的外等矩线作为定子型线，而与之共轭的曲线作为转子型线的空间共轭曲面。,转子可视为半径为R的圆片沿着螺距为t、偏心为e的螺旋线连续移动所形成的轨迹。,转子结构,定子衬套曲面是由两个半径为R（转子半径）的半圆和两条长度为4e的直线段组成的封闭对称曲线以长度T（T=2t）为导程螺旋旋转形成空间螺旋曲面。,定子结构图,y1,2e,2e,x1,R,t,O1,x1,y1,O1,2e,2e,R,A,A,定子型线,啮合线方程,线啮合线方程为：,在某一时刻对于线啮合线在空间表现为间隔T/2的轴
7、向长度的一条平面半圆（半径为R）曲线，而点啮合线表现为两条对称间距为2R的两条螺旋状曲线。,点啮合线方程为：,螺杆泵定转子的啮合分为两类啮合，一类是转子与定子衬套半圆处的啮合-线啮合，另一类啮合是转子与定子衬套直线段的啮合-点啮合。,2=-1,A、转子中心的运动规律 a、角速度的关系,转子的自转与公转,（2） 转子运动规律分析,1、螺杆泵运动学特征,A、转子中心的运动规律 b、运动轨迹及速度,转子,定子,点啮合,线啮合,点啮合点速度,线啮合点速度,转子截面中心速 度,啮合点最大和最小滑动速度,T,TZ,Fa,Fy,F,轴向力:横向力:惯性力:,负载扭矩:倾倒力矩:摩擦扭矩:,(二)、螺杆泵运动
8、学及动力学基础,2、螺杆泵动力学特征,2、螺杆泵动力学特征,2、螺杆泵动力学特征,(三)、螺杆泵系统的种类、组成及工作原理（以采油为例）,1、螺杆泵系统的种类,地面驱动单螺杆泵系统,潜油电机驱动单螺杆泵系统,5个优点,结构简单,维护方便,节能效果明 显,一次性投资少,螺杆泵的优点,适应性强,螺杆泵技术以能有效降低成本提高效益诸如离心泵、潜污泵、水力活塞泵等机采方式无法比拟的优点而倍受国内外行业重视，并有望成为未来特殊介质主要传输方式之一。,2、螺杆泵系统的组成,（1）电控部分 电控箱是螺杆泵的控制部分，控制电机的启、停。该装置能自动显示、记录螺杆泵井正常生产时的电流、电压等，有过载、欠载自动保
9、护功能，确保生产井正常生产。,(三)、螺杆泵系统的种类、组成及工作原理,（2）驱动部分驱动装置是螺杆泵的主要设备，是把动力传递给泵转子，使转子实现行星运动，实现输送的机械装置。从传动形式上分，有液压传动和机械传动；从变速形式上分，有无级调速和有级调速。,螺杆泵驱动装置的,种类,机械驱动装置,液压驱动装置,2、螺杆泵系统的组成,机械驱动装置传动部分是由电动机和减速器等组成，其优点是设备简单，价格低廉，容易管理并且节能，能实现有级调速且比较方便。其缺点是不能实现无级调速。 液压驱动装置是由原动机，液压电机和液压传动部分组成。其优点是可实现低转速启动；转速可任意调节；因设有液压防反转装置，减缓了转杆
10、倒转速度。其缺点是在寒冷季节部件和管线保温工作较难，且价格相对较高，不容易管理。 （1）减速箱的主要作用是传递动力并实现一级减速。它将电机的动力由输入轴通过齿轮传递到输出轴，输出轴联接光杆，由光杆通过抽油杆将动力传递到螺杆泵转子。减速箱除了具有传递动力的作用外，还将转杆的轴向负荷传递到介质上。 （2）电机是螺杆泵的动力源，它将电能转化为机械能。一般用防爆型三相异步电机。 （3）密封的作用是防止流体流出，起密封的目的。 （4）方卡的作用是将减速箱输出轴与光杆联接起来。,螺杆泵驱动装置,(四)、螺杆泵的工作特性,p,MPa,螺杆泵工作特性曲线,q,m3/d; v,%,.,T,N.m;P,kW,1、
11、排量特性,密封腔室产生、运移和消失规律,一个封闭腔室的产生和消失不总是同时发生; 封闭腔室的数量不总是固定的; 线啮合线密封能力是点啮合线密封能力的2倍。,1、排量特性,密封腔室的漏失特性,定、转子啮合点无间隙，即=0时，漏失量为零，封闭腔室完全密封； 因工作压力，故增加泵级数会降低每个密封腔室的密封压力，从而减少漏失； 因啮合线处的间隙是由工作压力P产生的，所以增加定、转子间的过盈会有效减少间隙，从而达到减小漏失的作用； 提高工作转速n会有效补偿漏失，这就是螺杆泵的离心泵特性。,漏 失 量,1、排量特性,1、排量特性,(四)、螺杆泵的工作特性,2、负载特性,杆柱轴向力特性,螺杆泵在正常工作时
12、, 轴向力为:,Fz-转子在液压力作用下的轴向载荷，N ，由上式计算；Fg-杆柱自重引起的轴向载荷，N；Fr-杆管环空液压力引起的轴向力载荷， N；Ff-杆液摩擦引起的轴向载荷， N。,A,式中：i-第i段流体平均粘度，Pa.s；vi- 第i段流体平均流速 ，m/s；Di- 第i段油管内径 ，m；di-第i段抽油杆直径，m。,式中Gi第i段杆柱的单位重力， N/m；li-第i段杆柱的长度 ，m；L抽油杆柱的长度，m。,式中D- 转子载面直径，m；d- 最下一级抽油杆直径，m。,2、负载特性,杆柱负载扭矩特性,举升井筒流体的扭矩:,式中:Ty -流体的扭矩， N.m； -泵出口压力，MPa； -
13、泵入口压力，MPa。,杆液的摩擦扭矩Tf:,式中:Tf-杆液的摩擦扭矩 ， N.m；n- 转子工作转速，r/min。,B,2、负载特性,负载特性的主要特点,泵转子扭矩曲线,螺杆泵转子扭矩与工作压力有很好的直线性，且摩擦扭矩在举升具有润滑性的液体时，只占转子负载扭矩的较小一部分。,3、 能耗特性,螺杆泵的能耗主要消耗在输送流体的驱动杆柱的能耗和驱动系统的传动能耗。输送系统的能耗一般可用传动效率来表征。螺杆泵系统总的能耗计算如下：,而有功能耗为：,(四)、螺杆泵的工作特性,无功损耗为：,螺杆泵系统的系统效率为：,=,式中:e,D,t螺杆泵的结构参数； t驱动系统的传动效率。,3、 能耗特性,(五)
14、、螺杆泵泵型及结构参数,在螺杆泵输送系统中，由定子和转子组成的是整个系统的核心设备。诸如大庆油田等公司在相关工程的设计理论、加工工艺及方法、水力特性的检测与评价等方面进行了大量的科研攻关，取得了一系列科研成果，形成了适应不同排量范围的井下泵系列。,能耗特性的主要特点,图2-29 泵能耗特性曲线,定、转子间摩擦损耗对工作压力不敏感；水力损耗是螺杆泵能耗的主要组成部分；随着工作压力即举升高度的增加和泵容积效率的降低水力无功损耗显著增加。,由分析和试验发现，采油螺杆泵能耗有何特点？,需要重点掌握的技术内容: 螺杆泵的工作原理； 螺杆泵的组成； 螺杆泵的技术优势； 螺杆泵的排量、负载和能耗特征； 螺杆泵应用现状。,一是,二是,三是,四是,五是,小 结,
