螺杆泵教材Word格式.doc

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地面驱动装置是螺杆泵采油系统的主要地面设备，是把动力传递给井下泵转子，使转子实现行星运动，实现抽汲原油的机械装置。

从传动形式上分，有液压传动和机械传动；

从变速形式上分，有无级调速和分级调速。

机械传动的驱动装置工作原理示意图（如图1-2）。

（2）地面驱动装置种类及优缺点

　　螺杆泵驱动装置的种类一般分为两类：

机械驱动装置和液压驱动装置。

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，用于高粘度和高含砂原油开采；

转速可任意调节；

因设有液压防反转装置，减缓了抽油杆倒转速度。

其缺点是在寒冷季节地面液压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井下螺杆泵转子。

减速箱除了具有传递动力的作用外，还将抽油杆的轴向负荷传递到采油树上。

　②电机是螺杆泵井的动力源，它将电能转化为机械能。

一般用防暴型三相异步电机。

　③井口动密封的作用是防止井液流出，起密封井口的目的（如图1-3）。

　④方卡的作用是将减速箱输出轴与光杆联接起来。

3）井下泵部分

螺杆泵包括定子和转子。

定子是由丁腈橡胶浇铸在钢体外套内形成的。

衬套的内表面是双螺旋曲面

（或多螺旋曲面），定子与螺杆泵转子配合。

转子在定子内转动，实现抽吸功能。

转子由合金钢调质后，经车铣、剖光、镀铬而成。

每一截面都是圆的单螺杆。

4）配套工具部分

①专用井口：

简化了采油树，使用、维修、保养方便，同时增强了井口强度，减小了地面驱动装置的振动，起到保护光杆和换盘根时密封井口的作用。

　②特殊光杆：

强度大、防断裂，光洁度高，有利于井口密封。

　③抽油杆扶正器：

避免或减缓杆柱与管柱的磨损，使抽油杆在油管内居中，减缓抽油杆的疲劳。

　④油管扶正器：

减小管柱振动。

⑤抽油杆防倒转装置：

防止抽油杆倒扣。

⑥油管防脱装置：

锚定泵和油管，防止油管脱落。

　⑦防蜡器：

延缓原油中胶质在油管内壁沉积速度。

　⑧防抽空装置：

地层供液不足会造成螺杆泵损坏，安装井口流量式或压力式抽空保护装置可有效地避免此现象的发生。

　⑨筛管：

过滤油层流体。

2.螺杆泵基础理论

1）螺杆泵工作原理和基本结构

采油用螺杆泵是单螺杆式水力机械的一种，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（本书重点介绍单螺杆泵）。

地面驱动井下单螺杆泵的转子转动是通过地面驱动装置驱动光杆转动，通过中间抽油杆将旋转运动和动力传递到井下转子，使其转动。

转子的任一截面都是半径为R的圆。

每一截面中心相对整个转子的中心位移一个偏心距E，转子的螺距为t，螺杆表面是正弦曲线abcd绕它的轴线转动，并沿着轴线移动形成的。

（如图1-4）。

定子是以丁腈橡胶为衬套浇铸在钢体外套内形成的，衬套内表面是双线螺旋面，其导程为转子螺距的2倍。

每一断面内轮廓是由两个半径为R（等于转子截面圆的半径）的半圆和两个直线段组成的。

直线段长度等于两个半圆的中心距。

因为螺杆圆断面的中心相对它的轴线有一个偏心距E，而螺杆本身的轴线又相对衬套的轴线又有同一个偏心距值E，这样，两个半圆的中心距就等于4E（如图1-5）。

衬套的内螺旋面就由上述的断面轮廓绕它的轴线转动并沿该轴线移动所形成的。

衬套的内螺旋面和螺杆螺旋面的旋向相同，且内螺旋的导程T为螺杆螺距t的二倍，即T=2t。

入口面积和出口面积及腔室中任一横截面积的总和始终是相等的，液体在泵内没有局部压缩，从而确保连续、均衡、平稳地输送液体。

当转子在定子衬套中位置不同时，它们的接触点是不同的（如图1-6）。

液体完全被封闭（这种液体被封闭的情形称为液封闭）时，液体封闭的两端的线即为密封线，密封线随着转子的旋转而移动，液体即由吸入侧被送往压出侧。

转子螺旋的峰部越多，也就是液力封闭数越多，泵的排出压力就越高。

转子截面位于衬套长圆形断面两端时，转子与定子的接触为半圆弧线，而在其他位置时，仅有两点接触。

由于转子和定子是连续啮合的，这些接触点就构成了空间密封线，在定子衬套的一个导程T内形成一个封闭腔室，这样，沿着螺杆泵的全长，在定子衬套内螺旋面和转子表面形成一系列的封闭腔室。

当转子转动时，转子——定子副中靠近吸入端的第一个腔室的容积增加，在它与吸入端的压力差作用下，举升介质便进入第一个腔室。

随着转子的转动，这个腔室开始封闭，并沿轴向排出端移动，封闭腔室在排出端消失，同时在吸入端形成新的封闭腔室。

由于封闭腔室的不断形成、运动和消失，使举升介质通过一个一个封闭腔室，从吸入端挤到排出端，压力不断升高，排量保持不变。

螺杆泵就是在转子和定子组成的一个个密闭的独立的腔室基础上工作的。

转子运动时（作行星运动），密封空腔在轴向沿螺旋线运动，按照旋向，向前或向后输送液体。

由于转子是金属的，定子是由弹性材料制成的，所以两者组成的密封腔很容易在入口管路中获得高的真空度，使泵具有自吸能力，甚至在气、液混输时也能保持自吸能力。

可见，螺杆泵是一种容积式泵，它运动部件少，没有阀件和复杂的流道，油流扰动小，排量均匀。

由于钢体转子在定子橡胶衬套内表面运动带有滚动和滑动的性质，使油液中砂粒不易沉积，同时转子——定子间容积均匀变化而产生的抽吸、推挤作用使油气混输效果良好，所以，螺杆泵在开采高粘度、高含砂和含气量较大的原油时，同其它采油方式相比具有独特的优点。

2）螺杆泵基本特征

（1）螺杆泵定、转子型线方程

①转子型线

图1-7给出了确定转子表面型线方程式的简图。

利用两个坐标系统：

动坐标x1o1y1和转子任一截面z的中心o1相连，方向维持一定；

定坐标xoy和转子本身的中心o相连，oz为转子的中心线，转子任意截面都是半径为R的圆，从转子截面中心o1到转子中心o的距离为偏心距E。

转子工作表面上任一点M在定坐标中的位置x，y，z，可用角θ和φ的函数来表示：

1-1

式中θ──M点相对动坐标x1o1y1的转角；

φ──动坐标x1o1y1相对定坐标xoy的转角；

t──转子螺距，mm。

式1-1是转子曲面的参数方程式，θ和φ为参变量，消去参变量θ和φ，就可得到下面的转子曲面方程式

1-2

为求得转子的轴面曲线，也即绘图时所用的平面曲线，令式1-2中的x=0并简化得：

1-3

式1-3为转子和yoz平面的交线方程式。

如果以此曲线绕转子中心线oz作螺距为t的螺旋运动，就可形成转子的表面，所以式1-3表示的曲线就是转子的型线，即转子的型线方程式。

②定子型线

图1-8绘出了定子衬套的断面轮廓。

利用两个坐标系统，动坐标x1oy和衬套断面中心o相连，它的oy1轴和ox1轴分别与衬套长圆形断面的长轴和短轴相重合，随着衬套断面沿着z轴（z轴在图上未给出）旋转而转动；

定坐标xoy也和衬套断面中心相连，方向维持不变。

由图1-8可见，衬套断面对oy轴和ox轴都是对称的，所以，为了求得衬套的型线方程式，只要建立曲线BCD的曲面方程式即可。

又因为曲线BCD是由圆弧段BC和直线段CD两部分组成，所以为了建立曲线BCD的曲面方程式，实际上只要求出圆弧段BC和直线段CD两部分的曲面方程式即可。

如图1-8所示，在曲线BCD上有一点N，它的轨道从B点到D点，在定坐标xoy中，N点位置所对应的φ角从0变化到π/2，而在圆弧段BC上，N点轨迹所对应的φ角为0～，而在直线段CD上N点轨迹所对应的φ角为～。

设衬套断面顺时针转动一个φ角，即动坐标oy1轴和定坐标oy轴的交角为φ，此断面相当于距初始位置为z处的衬套断面。

下面分别求出圆弧段BC和直线段CD所形成的衬套曲面方程式。

a.圆弧段BC所形成的衬套曲面方程式

BC上任一点N在定坐标中的位置x，y，z，可用下式参数方程来表示，即:

1-4

这时

0≤φ≤

式1-4是圆弧段BC形成的衬套曲面的参数方程，其θ、φ为参变量，消去参变量，就可得到圆弧段BC所形成的衬套曲面方程式

1-5

同样，令x=0，即可得到轴面曲线，即

1-6

此时

0≤φ≤

b.直线段CD所形成的衬套曲面方程式

直线段CD上任一点N′在定坐标中的位置x′、y′、z′，可用下式参数方程来表示

1-7

此时

≤φ≤π/2

式中θ′——oN′线和动坐标x1oy1的横轴ox1的交角。

消去式1-7中的参变量θ′和φ可得到直线段CD所形成的衬套曲面方程式。

1-8

令x′=0，可得出直线段CD所形成的轴面曲线方程

1-9

综合式1-6和式1-9，就可给出BCD所形成的衬套轴面曲线方程式，即衬套的型线方程式。

1-10

（2）螺杆泵的排量计算

螺杆泵的理论排量由下式确定

1-11

式中Q──螺杆泵的理论排量，m3/d；

E──转子的偏心距，mm；

D──转子截圆直径，mm，D=2R；

T──定子导程，mm，T=2t；

n──转子的转速，r/min。

螺杆泵的实际排量Q′为

1-12

式中──螺杆泵的容积效率，%。

由式1-11，1-12可以看出螺杆泵的理论排量或实际排量与螺杆泵的结构参数E、D、T和工作参数n有关系。

对现有螺杆泵的结构和作用情况进行分析表明，在E、D、T三者间存在一定的联系，就是在这三个参数维持一定比值的条件下，螺杆泵才能保证高效率的长期的工作。

（3）螺杆泵定、转子间的过盈及泵级数

采油用螺杆泵单级举升高度一般不超过70m，即单级最大工作压差不超过0.69MPa，目前，普遍采用的螺杆泵单级工作压差设计为0.5MPa左右。

单级工作压差除了与结构参数、工作参数及定子橡胶的机械物性等有关外，主要是靠定、转子间的过盈来实现的。

过盈量越大单级工作压差越大，转子摩擦扭矩也越大；

过盈越小，单级工作压差越小，满足不了油井举升的需要。

所以螺杆泵定、转子间的过盈存在合理值。

过盈量的确定必须在掌握定子橡胶物性，特别是橡胶的热胀、溶胀性能的基础上，方能确定。

经验数据表明，一般定、转子的初始过盈δ0的取值满足下列范围比较合理，即

δ。

=（0.005－0.01）D（mm）

泵级数z则根据油田实际需要的举升高度ΔPmax及单级举升高度ΔPd来决定，即

泵级数z决定了螺杆泵定、转子的长度，即

定子长度

Ls=zT

转子长度

Lr=Ls+（0.2m～0.3m）

3）螺杆泵的运动学问题

（1）转子的自转和公转

　　为了分析螺杆泵转子在定子衬套中的运动，以螺杆本身的轴线为圆心，以转子任一截面圆心o1和o2的距离E为半径作一个圆，并称之为转子的动中心圆。

转子的动中心圆实际上是所有转子截面中心在平面上的投影。

再以衬套的中心o为圆心，以2E为半径，作一个圆称之为定子的定中心圆。

如图1-9图示。

转子在定子衬套中的运动可看作转子的动中心圆（滚圆）在衬套的定中心圆（导圆）内作纯滚动。

当动中心圆逆时针转动时（自转），其圆心o2绕定中心圆圆心o作顺时针方向的圆周运动（公转）。

所以，自转和公转的方向相反，下面用图7-9来分析自转角速度ω和公转角速度ω02间的关系。

以o2作为原点，取动坐标x′o2y′，它的方向保持不变，即o2x′永远平行于ox，而原点o2绕衬套中心o作圆周运动。

转子的自转是指转子相对动坐标系x′o2y′的相对转动，它的自转角速度ω是和传动轴角速度相同的。

　设动中心圆和定中心圆的滚动接触点o1上的绝对速度为υ01（动中心圆上），应等于相对速度υr和牵连速度υ02的向量和，即

式中，它是由转子自转或相对动坐标系转动而产生的；

，它是由坐标原点o2公转而产生的，如图7-9所示，υr和υ02的方向相反。

所以，从绝对值的关系来看υ01=ωE-ω02E，因为转子动中心圆沿衬套定中心圆作纯滚动，其接触点的速度υ01=0，所以得到ω=ω02，即转子自转的角速度ω与公转的角速度ω02大小相等，方向相反。

转子动中心圆的自转是地面光杆通过抽抽杆来带动的，所以转子的自转和公转角速度均为

（rad/s）

（2）转子在定子衬套中的运动规律

转子在定子衬套中运动时，由于转动的抽油杆限制了转子的轴向位移，因此转子在定子衬套的运动只是一个平面运动。

如图1-10a所示，图中绘出z=0平面上的衬套断面（z轴由纸面指向上）。

将转子装进衬套后，转子本身轴线o2z离衬套中心线oz的距离为E，该断面上转子截面的圆心位于o1，以o2为圆心，以o1o2=E为半径作圆，称为转子的动中心圆；

以o为圆心，oo1=2E为半径作圆，称为衬套的定中心圆.在图1-10b中绘出同一转子——定子副的任意断面z。

显然，在该断面中衬套的长圆形形状不变，只是长轴OM比z=0断面转了一个角度φ，φ和z的大小有关，因为z=（T/2π）φ，所以，φ=2πz/T。

因为是转子的同一个位置（转子没有转动），所以转子的中心线o2和动中心圆不变，但是在断面z中，转子的断面圆心不在o1，而是沿动中心圆从o1转过一个角度φ1因为z=（t/2π）φ1，所以有

这就是说，从z=0断面到z断面，转子的转角φ1等于衬套转角φ的两倍。

在图1-10b中，过o2点作yo2N=φ1和动中心圆交于点o1′，o1′点就是z断面中转子的断面圆心，有了圆心，就可以作出转子的断面圆。

下面来证明，o1′点一定在OM直线上，即在衬套长轴上，在动中心圆内，o1o1′弧长为

o1o1′=E·

φ1

设o1"

点为衬套长轴OM与动中心圆的交点，则在动中心圆内o1o1"

弧长为

o1o1"

=2Eφ

比较o1o1′与o1o1"

的弧长，因为φ1=2φ，则

o1o1′=o1o1"

这样说明o1′和o1"

一定重合，而且位于衬套长轴上，因此在任意断面z中，转子的截面圆心是位于衬套长轴上，同时是动中心圆和衬套长轴的交点。

下面来证明，当转子工作时，任意断面z中转子断面圆心是沿衬套的长轴方向作直线往复运动.

如图1-11，设o1′点的速度为υ，其沿x，y轴分量为υx，υy，依据前文所述的运动合成得

由比可见，o1′点的速度方向与衬套长轴OM相一致，而且o1′又在长轴上，故转子任意z截面的圆心在衬套断面的长轴方向运动。

1-13

由此，转子在衬套中运动特点可以总结为以下两点：

①在转子——定子副的任意断面上，转子截面中心位于衬套断面的长轴上；

②随着转子的转动，该断面上的转子截面中心沿衬套断面的长轴方向作直线往复运动。

4）螺杆泵的力学问题

（1）转子的理论扭矩

转子——定子副将机械能转换为液体能，若不考虑损失，则由能量转换关系得

其中q=4EDT

则1-14

式中M──转子的理论扭矩（有功扭矩）；

q──螺杆泵的单转排量；

△p──螺杆泵吸入端与排出端的液压差。

此外，转子与定子之间还存在着摩擦扭矩（无功扭矩），摩擦扭矩的大小主要与螺杆泵自身的结构参数、定子橡胶的机械物理性能（主要是硬度），定、转子间的过盈量及热溶胀性能等因素有关。

摩擦扭矩的大小一般是通过室内试验检测得到的经验数据。

（2）转子轴向力

由于螺杆泵的吸入端和排出端的液体有压差存在，所以转子——定子副中的液体将对螺杆泵的定子、转子施加力的作用，设转子螺旋面上某点处所受的正压力为dF，则其轴向分量dFa与其周向分量dFc的关系为

式中ρ──受力点到转子螺旋面轴线的垂直距离；

t──转子螺距。

T=2t

dF对转子轴线的力矩为

对上式两边在整个转子——定子副面上进行积分得

即有

式中Fa——转子螺旋面上所受的轴向力。

另外，转子端面也受液体压差的作用，所以端面轴向力Fe为

式中D──转子截圆直径；

d──抽油杆直径。

由此转子所受的总轴向力为

1-15

二、螺杆泵工作特性

1.螺杆泵工作特性曲线

图2-1螺杆泵工作特性曲线

螺杆泵工作特性是通过在室内检测试验装置上，模拟井下工况实测的螺杆泵工作特性曲线。

包括：

①容积效率曲线——压头与排量的关系曲线；

②扭矩曲线——压头与转子扭矩的关系曲线；

③系统效率曲线——压头与系统效率的关系曲线。

螺杆泵的工作特性曲线是指导螺杆泵抽油的技术基础，无论是选井、选泵、施工设计和使用管理都要以泵的特性曲线为基础。

图2-1为典型的螺杆泵工作特性曲线。

2.螺杆泵的部分离心泵特性

图2-2具有负过盈的螺杆泵容积效率曲线

①—500r/min；

②—160r/min

　螺杆泵是一种旋转容积泵，但同时也具有部分离心泵特性。

从转子的几何形状和运动方式看，螺杆泵实际上类似于离心轴流泵，在高速运转时，它同样能把动能转化为介质的压能，随着转速升高流量增大，压头也随之增高。

图2-3具有过盈的螺杆泵容积效率曲线

①—容积泵特性曲线段；

②—拐点；

③—离心泵特性曲线段

图2-2是具有负过盈（间隙）的螺杆泵压力——容积效率曲线图。

从图中可以看出，它具有相似于离心泵的特性曲线，一般地说，它的外特性较软（没有容积泵较平直线段的特点），随着压力升高，容积效率很快下降，随着转速升高，压头也升高。

图2-3是具有过盈的螺杆泵压力——容积效率曲线。

从图中可以看出，随着转速升高，泵的最高压力点（压头）向高压方向移动。

其原因是，由橡胶注压而成的定子，在压力较低时，橡胶的密封性能较好，漏失较小，容积效率曲线呈平直线段，这时泵的特性表现为容积泵特性，压力升高时，液体漏失渐渐增加。

当压力升高到某一值时，橡胶产生较大变形，转、定子间产生较大间隙，液体开始大量漏失，即所谓的“击穿”。

此位置在压力——容积效率曲线的拐点处。

若压力继续升高，转、定子间的间隙继续增大，漏失急剧增加，这时相当于前面讲的负过盈（间隙）情况，这时泵表现为离心泵特性。

此位置在压力——容积效率曲线的拐点下面的曲线段。

这时若转速升高，压头也随之升高。

所以螺杆泵是介于容积泵和离心泵之间的一种泵。

3.结构参数对螺杆泵特性的影响

螺杆泵的结构参数是指转子的偏心E，直径D，导程T和级数Z。

对现有单螺杆泵的结构和使用情况进行分析表明，在E、D和T三者间存在一定的联系，只有在这三个参数维持一定比例的条件下，单螺杆泵才能保证高效率和长期的工作。

对于采油用的小排量、高压头的单螺杆泵，可取下列比值

2≤≤2.528≤≤32

对于采油用的大排量、中压头的单螺杆泵，可取下列比值

8≤≤1550≤≤60

　根据国内制造技术条件，我国螺杆泵的设计参数一般采取小的偏心距E和大的转子直径D，形成的转子螺旋线轮廓不明显，这样转子和定子的密封是面密封而不是线密封，再加上转子外表面比较