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    CAE咨询 / Data Area

    12年的专业CAE咨询服务经验,超过1000个项目的丰富经验积累。

    在采油设备与采油工程中的应用案例与经验

    发布时间:2013-12-17

    浏览次数:

    • (1) 螺杆泵的分析案例

      螺杆泵是一种旋转容积式泵,于20世纪20年代由法国人Rene Moinea发明,在其发展过程中有过不同的名称,如:“偏心螺杆泵”(eccentric D screwpump)“旋转潜油莫尔泵”(Rotary submersible Moineau pump)等,目前英文的标准名称是Progressing Cavity Pump,缩写为“PCP",中文直译为“渐进容积式泵”,习惯上称为“螺杆泵”。

      螺杆泵的结构和分类。螺杆泵的结构包括泵壳(定子)、螺杆(转子)、轴承、轴封等;通常根据其工作原理分为:单螺杆泵、双螺杆泵、三螺杆泵。

       

       

      螺杆泵是利用螺杆的回转来吸排液体的。如图表示三螺杆泵的剖视图。其中,中间螺杆为主动螺杆,由原动机带动回转,两边的螺杆为从动螺杆,随主动螺杆作反向旋转。主、从动螺杆的螺纹均为双头螺纹。由于各螺杆的相互啮合以及螺杆与衬筒内壁的紧密配合,在泵的吸入口和排出口之间,就会被分隔成一个或多个密封空间。随着螺杆的转动和啮合,这些密封空间在泵的吸入端不断形成,将吸入室中的液体封入其中,并自吸入室沿螺杆轴向连续地推移至排出端,将封闭在各空间中的液体不断排出,犹如一螺母在螺纹回转时被不断向前推进的情形那样,这就是螺杆泵的基本工作原理。

       

       

      案例1:转子与定子的接触非线性分析

      参考GLB800常规螺杆泵的规格,计算模型中有关的几何参数和物理参数选取如下:缸体外套的外径为114 mm,壁厚7 mm;材料模型按线弹性处理,弹性模量取210GPa,泊松比取0.3。橡胶衬垫的外径为100mm;内腔轮廓尺寸取决于转子半径R和偏心距e,这里取R = 24 mm, e = 8.5mm; 橡胶材料的本构关系采用非线性本构模型。

      三维模型中定子的长度取40 mm,该模型共有640个线性单元。平面应变模型的有限元网格如图所示, 共有单元1020个。

       

       

      工作压力下定子的应力、应变分布:在均布内压作用下, 橡胶衬垫中的剪切变形不算显著, 最大值为1.73%,对橡胶而言,承受这样的变形是没问题的;当有0.5MPa 压差时, 剪切变形显著增大,最大值可达12.39%,位于O和D处,也就是说在高压和低压作用面的交界处。

       

       

      案例2:转子与定子之间的运动学分析和动力学分析

      螺杆泵在运行中存在着高度非线性,相应的运动学和动力学的数值模型主要考虑如下因素:第一,定子材料由橡胶组成,它是一种高度非线性的超弹性材料,其力学性能的表征比较困难,因此,在螺杆泵的动力学研究中,定子橡胶材料力学行为的描述是一个重点和难点;第二,转子运动过程中,不断地与定子内不同部位接触,不仅边界随转子运动而改变,而且相互之间接触也会产生作用,这种边界非线性对求解问题带来了很大的难度。

      ABAQUS提供了多种超弹性材料的本构模型,本构模型的选择必须基于对材料的力学特征深入了解,本构方程的建立则需要配套的试验数据作支持。

      GLB500型号单螺杆泵系统,其主要参数有:转子直径D为44mm,转子偏心e为7mm,定子导程 t 为404mm,定子外半径为57mm,几何模型如图所示。模型中把转子视为刚体,定子橡胶性质采用Yeoh材料模型描述,本构方程中的参数值为: C10=931555,C20=-685895,C30=502685。

       

       

      转子运动过程中,两者之间的相互作用发生在过盈接触的位置。图(a)和(b)分别给出了时刻 t=0.1s和 t=0.2s 时转子的位置和定子横截面上的应力分布(应变的分布规律相同)。可以看出,定转子接触密封线上的应力最大,符合从力学意义上分析的结果。

       

       

      案例3:螺杆泵的温度场与热应力分析

      螺杆泵定子材料有很多种类,具体的有丁睛橡胶、聚硫橡胶、氟橡胶等等。橡胶抗温胀性能是衡量橡胶定子特性的一个重要方面。目前定子广泛采用的是丁睛橡胶。丁睛橡胶有耐油性、耐磨性等突出优点,但是和所有橡胶一样,丁睛橡胶在温度升高时,定子橡胶也会发生膨胀,即所谓的橡胶温胀。

      定子周围环境温度从20℃升高到50℃,结果显示其Mises应力和节点位移场如图所示。

       

       

      螺杆泵二维动力学以及定子有限元模型

       

       

       

      (2) 抽油机的分析案例

      抽油机是开采石油的一种机器设备,俗称“磕头机”,通过加压的办法使石油出井。当抽油机上冲程时,油管弹性收缩向上运动,带动机械解堵采油器向上运动,撞击滑套产生振动;同时,正向单流阀关闭,变径活塞总成封堵油当抽油机下冲程时,油管弹性伸长向下运动,带动机械解堵采油器向下运动,撞击滑套产生振动;同时,反向单流阀部分关闭,变径活塞总成仍然封堵油套环形油道,使反向单流阀下方区域形成高压区,这一运动又对地层内的油流通道产生一种反向的冲击力。

       

       

      案例1:整体机构的运动学分析和动力学分析

      双驴头抽油机是一种新型的游梁式抽油机,如图所示,它在游梁式抽油机的游梁后臂上增加了一个后驴头,将连杆与游梁的转动副联结变为柔性件和后驴头的相切联结,从而改变了连杆与游梁之间的传力特性,其性能较游梁式抽油机有所改善。双驴头抽油机的后驴头吊绳为四根,前驴头的吊绳为一根。

      双驴头抽油机虚拟样机曲柄转角0°位置等轴图、前视图、右视图、左视图。

       

       

      双驴头抽油机虚拟样机曲柄转角180°位置等轴图、前视图、右视图、左视图。

       

       

      案例2:支撑桁架结构强度和稳定性分析

      整个虚拟支架依据CYJS 10-5-37HB型双驴头抽油机支架的结构和尺寸进行二维建模,为了节省时间并考虑计算机的配置,需对建立的虚拟支架进行简化,省去不影响整体结构的小构件。另外,取消焊接连接形式,把整个支架建成一个零件,CYJS 10-5-37HB型双驴头抽油机支架模型如图所示。

      有限元分析模块经过算例运行得到如下结果:支架的Mises应力分布如图所示。结构的最大应力为132MPa,位置在支架前支撑腿顶部;结构的最大位移为0. 0037m,位移很小,位置在支架的顶部;整个支架的最小安全系数为1.7,整个支架重量为1756kg。

       

       

       

       

       

       

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