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石油机械
2007年第 35卷第 3期 CH INA PETROLEUM MACH INERY — 11 —
设计计算
同步式双螺杆泵螺杆瞬态动力学分析
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3 屈文涛赵宁徐建宁
(1 西安石油大学机械工程学院 2 西北工业大学机电学院)
摘要螺杆是螺杆泵增压核心部件, 其性能优劣对螺杆泵的整体性能具有决定性的影响。利
用三维实体造型软件 Pro /E建立准确实体模型, 然后导入有限元分析软件 ANSYS, 建立了合理简
化的螺杆瞬态分析模型, 根据有限元思想将连续变化的压力承载面离散处理, 利用 ANSYS APDL
程序实现波动载荷的加载, 从而实现转子瞬态动应力和响应特性的求解。
关键词双螺杆泵瞬态动力学 ANSYS 响应波动载荷
螺杆泵是石油工业中重要的人工举升设备, 单杆动态变形量的大小是判断螺杆间隙是否合理, 运
螺杆泵的工作寿命主要取决于定子衬套材料的性动是否发生干涉的前提, 因此有必要进行螺杆瞬态
~
能, 由于难以适应各种油井环境, 大大影响了泵的动力学[ 2 4 ]研究。
工作范围和寿命, 限制了其在海洋和陆上深井原油
开发中的广泛应用。地面油气多相混输双螺杆泵转螺杆瞬态动力学模型的建立
子和定子均选用金属材料加工, 通过严格控制 2个
异向旋转螺杆之间的间隙, 使之在运转过程中看起同步式双螺杆泵 2根螺杆在工作过程中互不接
来似乎处于啮合状态但实际上并不相互接触。如果触, 齿侧之间保持恒定的间隙, 其动力的传递是由
能将混输泵工作原理应用于井下采油[ 1 ] ———同步驱动电动机分别和 2 个螺杆连接的同步齿轮来实
式双螺杆泵采油系统, 就可以大大延长螺杆泵工作现, 2个螺杆之间在运动过程中没有力的传递。因
寿命并提高其工作转速, 从而实现延长检泵周期和此, 在螺杆动力学分析建模时只对单根螺杆的模型
提高单井原油排量的目标。螺杆是螺杆泵增压核心进行分析。笔者利用三维实体造型软件 Pro /E建立
部件, 其性能优劣对螺杆泵的整体性能具有决定性准确实体模型, 然后导入有限元分析软件 ANSYS
的影响。由于螺杆所承受载荷是随原油伴生气含建立螺杆的有限元分析模型进行分析, 采用 Sol
量、比重、粘度及井底温度等油藏参数变化而变化 id45单元划分网格, 网格模型共有 20 852个节点,
的波动载荷; 另外, 螺杆之间间隙精度要求高, 螺 103 409个单元, 模型如图 1所示。
图 1 瞬态动力学分析网格模型
杆受力模型作以下简化:
瞬态动力学边界处理及加载(1) 假设传递给螺杆的扭矩恒定, 不随时间
变化;
1 螺杆加载模型的简化与常规载荷的加载(2) 假设螺杆为理想工况, 转子齿顶严格密
螺杆泵在运转过程中工况很复杂, 因此需对螺封, 不发生泄漏;
基金项目: 中国海洋石油总公司“螺杆泵采油技术开发”(2003 - 541) 的部分成果。
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— 21 —石油机械 2007年第 35卷第 3期
1 ∀.
(3) 简化螺杆啮合接触线为一径向直线, 便 1 经简化处理后的螺杆受力模型共受到随时间变
于实现加