趙 毅

(東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院,黑龍江大慶163318) *

G LB120-27型螺桿泵三維模型舉升壓力分析

趙 毅

(東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院,黑龍江大慶163318)*

對(duì) GLB120-27型螺桿泵半導(dǎo)程三維模型進(jìn)行有限元計(jì)算,明確該型螺桿泵舉升油液時(shí)的泄漏區(qū)位于密封螺旋帶。通過對(duì)泄漏區(qū)進(jìn)行三維模型壓力傳遞規(guī)律的分析,確定了理論揚(yáng)程;通過水力特性現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),驗(yàn)證了有限元模擬結(jié)果的正確性。

三維模型;螺桿泵;壓力傳遞;有限元

采油螺桿泵以占地面積小、節(jié)能效率高、流量穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)被油田所采用。目前,有關(guān)采油螺桿泵內(nèi)部壓力的研究主要集中在靜力學(xué)的研究[1-3],其內(nèi)部壓力分布及傳遞規(guī)律的研究主要基于平面模型利用有限元方法進(jìn)行分析[4]。本文用有限元軟件ANSYS11.0對(duì)GLB120-27型采油螺桿泵三維有限元模型進(jìn)行舉升壓力的研究。

1 泄漏位置的確定

在實(shí)際工況條件下,采油螺桿泵油液的舉升傳遞與各腔室之間油液的泄漏竄流是同時(shí)存在的,并且泄漏與定、轉(zhuǎn)子間的密封狀況有關(guān)。工作時(shí)隨著油管內(nèi)油液的增多,腔室的壓力也逐漸增加,相鄰腔室之間的壓差也隨之加大。當(dāng)相鄰腔室之間逐漸增大的壓差大于密封帶接觸壓力時(shí),便發(fā)生油液的泄漏,此時(shí)密封帶上的接觸壓力即為密封與泄漏的臨界接觸壓力。

半導(dǎo)程采油螺桿泵三維有限元模型密封帶如圖1。對(duì)低壓腔室施加0 MPa壓力,高壓腔室分別施加0、0.60、0.67、0.68 MPa壓力,應(yīng)用有限元分析軟件ANSYS11.0進(jìn)行分析計(jì)算,限于篇幅僅列出壓差為0.68 MPa的有限元計(jì)算結(jié)果云圖,如圖2。

圖1 采油螺桿泵密封帶有限元網(wǎng)格

圖2 0～0.68 MPa壓力條件下密封帶及其細(xì)節(jié)云圖

由于半圓處密封壓力整體上要大于螺旋帶的密封壓力[5],所以僅以密封壓力較小的螺旋帶作為研究對(duì)象。由圖2可以看出,密封帶上接觸壓力的分布狀況在其橫向大致呈中間大,邊緣小的趨勢(shì),因此螺旋帶橫向中間節(jié)點(diǎn)的接觸壓力大于邊緣節(jié)點(diǎn)的接觸壓力;圓圈內(nèi)密封帶的接觸壓力低于密封帶整體的接觸壓力,該區(qū)域是密封帶上密封的薄弱環(huán)節(jié),一旦發(fā)生油液泄漏,將首先從該區(qū)域開始。

分別沿螺旋帶1和螺旋帶2縱向上提取各個(gè)中間節(jié)點(diǎn)接觸壓力的變化數(shù)值,如表1～2。對(duì)表1～2的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可確定密封帶的泄漏位置。

1) 隨著壓差的不斷增加,節(jié)點(diǎn)上的接觸壓力整體隨之減小。

2) 根據(jù)采油螺桿泵橡膠的密封準(zhǔn)則[6],當(dāng)相鄰壓差大于接觸壓力時(shí),油液發(fā)生泄漏竄流現(xiàn)象。隨著壓差的不斷增大,這一現(xiàn)象首先發(fā)生在螺旋帶1上由連續(xù)節(jié)點(diǎn)6207、6208和6209組成的連續(xù)區(qū)域,這些節(jié)點(diǎn)恰好位于圖2中所選定的密封帶密封的薄弱環(huán)節(jié)。由此可知,該區(qū)域?yàn)樾孤﹨^(qū)域。

假設(shè)連續(xù)2個(gè)有限元網(wǎng)格(連續(xù)3個(gè)節(jié)點(diǎn))的寬度可以讓油液泄漏,即,當(dāng)圖2中螺旋帶薄弱環(huán)節(jié)的寬度達(dá)到4～7 mm時(shí),如果相鄰腔室的壓差大于密封帶上的接觸壓力,腔室內(nèi)的油液開始發(fā)生泄漏。因此,建立的有限元模型節(jié)點(diǎn)號(hào)6207、6208和6209為研究的重點(diǎn)節(jié)點(diǎn),其對(duì)應(yīng)的區(qū)域?yàn)樵撔筒捎吐輻U泵泄漏的主要區(qū)域。

表1 螺旋帶1上節(jié)點(diǎn)接觸壓力 MPa

表2 螺旋帶2上節(jié)點(diǎn)接觸壓力 MPa

2 三維有限元模型壓力傳遞規(guī)律

2.1 有限元計(jì)算

對(duì)低壓腔室分別施加0、3、5、7、10 MPa壓力,相應(yīng)的高壓腔室內(nèi)壓力不斷增加,經(jīng)過有限元計(jì)算,分別得出不同內(nèi)壓力、不同壓差對(duì)應(yīng)的接觸壓力。將確定的密封帶泄漏位置沿密封帶縱向?qū)Ρ裙?jié)點(diǎn)接觸壓力數(shù)值,選取節(jié)點(diǎn)號(hào)為6208的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析,計(jì)算數(shù)據(jù)如表3～7。

表3 低壓腔室0 MPa密封帶接觸壓力有限元計(jì)算數(shù)據(jù) MPa

表4 低壓腔室3 MPa密封帶接觸壓力有限元計(jì)算數(shù)據(jù) MPa

表5 低壓腔室5 MPa密封帶接觸壓力有限元計(jì)算數(shù)據(jù) MPa

表6 低壓腔室7 MPa密封帶接觸壓力有限元計(jì)算數(shù)據(jù) MPa

表7 低壓腔室10 MPa密封帶接觸壓力有限元計(jì)算數(shù)據(jù) MPa

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

以低壓腔室內(nèi)壓力為3 MPa模型為例,臨界接觸壓力值如表4。可以看出,當(dāng)高壓腔室內(nèi)壓力不斷增加時(shí),相鄰腔室之間的壓差隨之增大,密封帶的接觸壓力隨之減小;當(dāng)相鄰腔室之間的壓差≤0.55 MPa時(shí),相應(yīng)的接觸壓力大于壓差;當(dāng)相鄰腔室之間的壓差>0.55 MPa達(dá)到0.56 MPa時(shí),相應(yīng)的接觸壓力小于壓差。當(dāng)相鄰腔室之間的壓差小于接觸壓力時(shí)密封;當(dāng)相鄰腔室之間的壓差大于接觸壓力時(shí)油液發(fā)生泄漏竄流。由此可知,在低壓腔室內(nèi)壓力為3 MPa時(shí),高壓腔室內(nèi)壓力<3.55 MPa密封,高壓腔室內(nèi)壓力>3.55 MPa時(shí)油液發(fā)生泄漏竄流。因此,此時(shí)高壓腔室的內(nèi)壓力為低壓腔室壓力在3 MPa時(shí)的臨界內(nèi)壓力,其值為3.55 MPa,此時(shí)的臨界接觸壓力是0.55 MPa。同理可以得到低壓腔室在不同內(nèi)壓力條件下的臨界接觸壓力值,如表8。

表8 G LB120-27型螺桿泵臨界接觸壓力值 MPa

3 建立三維有限元模型壓力場(chǎng)

根據(jù)螺桿泵壓力場(chǎng)分布規(guī)律[3],用 MATLAB7.6對(duì)低壓腔室壓力為0、3、5、7、10 MPa時(shí)相應(yīng)的臨界接觸壓力進(jìn)行多項(xiàng)式擬合,擬合多項(xiàng)式為

y=-9.75×10-4x2-3.49×10-2x+0.67(1)式中,x為低壓腔室內(nèi)壓力,MPa;y為臨界接觸壓力,MPa。

由此得到低壓腔室內(nèi)壓力與臨界接觸壓力之間的變化趨勢(shì)曲線,如圖3。

圖3 低壓腔室內(nèi)壓力隨臨界接觸壓力變化趨勢(shì)

假設(shè) GLB120-27型螺桿泵吸入端壓力為0 MPa,吸入端腔室為0#腔室,建立其壓力場(chǎng)分布模式。

1) 吸入端壓力0 MPa,則0#腔室的內(nèi)壓力為0 MPa。

2) 根據(jù)腔室內(nèi)壓力與臨界接觸壓力的相關(guān)變化趨勢(shì)可知,當(dāng)?shù)蛪?#腔室內(nèi)壓力為0 MPa時(shí),由式(1)得到臨界接觸壓力為0.67 MPa,因此1#腔室內(nèi)壓力為0.67 MPa。

3) 再根據(jù)此變化趨勢(shì)可知,當(dāng)?shù)蛪?#腔室內(nèi)壓力為0.67 MPa時(shí),由式(1)得到臨界接觸壓力為0.64 MPa,因此2#腔室內(nèi)壓力為1.31 MPa。

4) 再次根據(jù)此變化趨勢(shì)可知,當(dāng)?shù)蛪?#腔室內(nèi)壓力為1.31 MPa時(shí),由式(1)得到臨界接觸壓力為0.63 MPa,因此3#腔室內(nèi)壓力為1.94 MPa。

依次類推。

結(jié)合壓力場(chǎng)分布模式得到 GLB120-27型螺桿泵壓力場(chǎng)分布,如表9。因此,該采油螺桿泵的最高泵壓為10.77 MPa。

表9 G LB120-27型螺桿泵壓力場(chǎng)分布 MPa

4 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

在現(xiàn)場(chǎng)對(duì) GLB120-27型螺桿泵進(jìn)行水力特性的檢測(cè)試驗(yàn),得出設(shè)定轉(zhuǎn)速為100 r/min時(shí)相應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表10,水力特性試驗(yàn)曲線如圖4。

表10 G LB120-27型螺桿泵性能現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖4 GLB120-27型采油螺桿泵水力特性試驗(yàn)曲線

由表10和圖4可以看出,隨著出口壓力的升高,總效率先升高后降低,最大總效率75%;容積效率逐漸下降,在壓力為10.5MPa時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn),相對(duì)容積效率下降明顯。

石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY5549—1992規(guī)定,在額定工作壓力下試驗(yàn)泵的容積效率為60%～90%,總效率不低于60%。因此 GLB120-27型螺桿泵在對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速下的最高泵壓為10.50 MPa。將 GLB120-27型螺桿泵舉升壓力有限元模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果相比較,誤差為2.62%,驗(yàn)證了 GLB120-27型螺桿泵壓力場(chǎng)有限元模擬結(jié)果的合理性。

5 結(jié)論

1) 通過采油螺桿泵三維模型有限元分析,確定其泄漏位置在密封帶上。

2) 根據(jù)采油螺桿泵密封與泄漏的關(guān)系,給出GLB120-27型采油螺桿泵三維模型的壓力傳遞規(guī)律。

3) 通過該泵水力特性試驗(yàn),驗(yàn)證了壓力傳遞規(guī)律及有限元模擬結(jié)果的正確性。

[1] 葉衛(wèi)東,宋玉杰,韓道權(quán),等.單螺桿泵定子有限元分析[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2008,37(4):42-44.

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[4] 葉衛(wèi)東,郭玉雙,杜秀華,等.螺桿泵內(nèi)部壓力分布規(guī)律研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2009,9(11):3 069-3 072.

[5] 任全彬,蔡體敏,王榮橋,等.橡膠O形密封圈結(jié)構(gòu)參數(shù)和失效準(zhǔn)則研究[J].固體火箭技術(shù),2006,29(1): 9-14.

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Lifting Pressure Analysis of 3D Model on G LB120-27 Screw Pump

ZHAO Yi
(College of Mechanical Science and Engineering,Northeast Petroleum University,Daqing163318,China)

Half-lead 3D model of GLB120-27 has been calculated by Finite element method.The leak field of oil extraction progressing cavity pump is on a sealing spiral belt when oil is lifted by PCP.The theory head of GLB120-27 has been defined by studying the pressure transfer law of 3D model on the leak field.The finite element simulation results are correct by the oil extraction PCP hydraulic characteristics test.

3D model;screw pump;pressure transfer;finite element

1001-3482(2011)07-0009-04

TE933.3

A

2011-01-14

趙 毅(1983-),男,黑龍江寧安人,碩士研究生,研究方向?yàn)闄C(jī)械采油系統(tǒng)工程及節(jié)能技術(shù),E-mail: zhaoyi211@126.com。