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等壁厚螺杆泵密封性能有限元分析

2019-08-25 18:18:24
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常规螺杆泵定子是由丁睛橡胶浇铸在钢泵筒内形成的。橡胶定子内表面是双螺旋曲面,其厚薄不均。这种结构存在着诸多不足,如螺杆泵定子工作时摩擦产生的热量主要聚集在橡胶较厚的部分,容易导致定子过早失效;不同厚度橡胶的溶胀、温胀不相同,由此改变了定转子啮合作用,增大了磨损,降低泵的工作效率和使用寿命;使橡胶定子的受力和变形不同,造成局部过度疲劳而损坏。因此为了进一步延长螺杆泵工作寿命,改善常规螺杆泵使用性能,提高螺杆泵采油经济效益,必须对常规螺杆泵进行改进。目前,对常规螺杆泵改进的技术有很多,如金属定子橡胶转子螺杆泵、全金属螺杆泵、等壁厚螺杆泵。但大部分新技术由于制造成本等原因都处于试验阶段,只有等壁厚螺杆泵具有了一定的现场使用,因此本文作者主要对等壁厚螺杆泵进行模拟计算,分析其密封性能,并与常规螺杆泵进行比较,确定其优点。

1等壁厚螺杆泵结构

为了保证橡胶层具有均匀厚度,必须改变定子钢筒的形状。目前常用的等壁厚螺杆泵是采用能满足定子泵筒尺寸精度及机械性能的精铸工艺来加工的直筒式等壁厚定子外筒。

2等壁厚螺杆泵有限元分析

螺杆泵在工作中主要承受密封腔油液压力的作用。可以将此压力分 解成两部分,一部分是垂直作用在密封腔室内壁的内压力,使螺杆泵橡胶衬套压缩,螺杆泵密封腔室体积增大;另一部分是相邻密封腔室间的压差,使螺杆泵定子型线发生几何形状变化。

螺杆泵橡胶衬套体积压缩量的大小与所受应力有关,而决定应力大小的因素就是密封腔室内的压力。压力越大应力越大.体积压缩量越大.实际过盈量越小,密封性能降低,直至实际过盈量为Q产生泄漏。

由于螺杆泵定子形状复杂,因此对于定子橡胶几何变形后的形状以及变形的大小无法用理论公式计算,只能采用有限元的方法计算。下面利用有限元方法计算密封腔室间压差对接触压力的影响,分析压差对等壁厚螺杆泵的密封性能的影响。

根据橡胶密封的失效准则可知,只有接触压力大于压差值才能密封。随着密封腔室间压差的增加,定子与转子间的接触压力也会增加。但接触压力的增加速度比压差的增加速度慢,因此必然存在一个较大密封压差,当实际压差小于此压差时,接触压力大于压差值,处于密封状态;当实际压差大于此压差时,接触压力小于压差值,处于泄漏状态。将较大密封压差所对应的接触压力称为临界接触压力,螺杆泵的单级密封的较大压力就等于临界接触压力。

螺杆泵橡胶衬套的变形实际是体积压缩变形和几何形状变形的综合,也就是内压力与压差综合作用的结果。下面对螺杆泵施加不同的内压力和压差,计算出不同内压力下的临界接触压力。

(1)等壁厚螺杆泵的临界接触压力与密封腔室内压力之间的变化规律与普通螺杆泵相同,即随着密封腔室内压力的增加,定子与转子间的临界接触压力将减小。

(2)与普通螺杆泵相比,等壁厚螺杆泵临界接触压力曲线的斜率更小,也就是在密封腔室内压力升高相同值时,临界接触压力的减小量更小,即内压力对等壁厚螺杆泵的影响更小。

(3)与普通螺杆泵相比,等壁厚螺杆泵临界接触压力曲线在y轴的截距更大,也就是在密封腔室内压力为零时,临界接触压力更大。分析原因,主要是由于等壁厚螺杆泵的定子衬套橡胶层较普通螺杆泵衬套橡胶层更薄,在相同过盈量时,橡胶层所产生的变形量基本相同,但产生的应变却相差很大。橡胶层越薄,应变越大,相应的应力也会越大,接触压力也会越大。

(4)综合以上的分析可知,等壁厚螺杆泵的临界接触压力曲线的初值更大,斜率更小,因此较后在x轴的截距就更大。说明等壁厚螺杆泵的较大举升压力要比普通螺杆泵大很多。

结论

(1)随着内压力的增加,螺杆泵定子与转子间的接触压力相应减小,等壁厚螺杆泵比普通螺杆泵接触压力更大,而且减小速度更慢,等壁厚螺杆泵密封性能更好。

(2)随着压差的增加,螺杆泵定子与转子间的接触压力相应增加,等壁厚螺杆泵比普通螺杆泵接触压力更大,增加速度接近。接触压力的增加速度小于压差的增加速度,因此存在临界接触压力,等壁厚螺杆泵比普通螺杆泵具有更大临界接触压力,等壁厚螺杆泵密封性能更好。

(3)随着密封腔内压力的增加,临界接触压力相应减小,等壁厚螺杆泵比普通螺杆泵的临界接触压力大,减小速度慢,等壁厚螺杆泵密封性能更好。

(4)等壁厚螺杆泵与普通螺杆泵相比具有更好的密封性能,可以在泵出口产生更大的压力,在运用螺杆泵进行机械采油时就可以应用到更深的油井中。


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