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螺杆泵举升性能的数值模拟研究

贺向东  
【摘要】:地面驱动螺杆泵是一种广泛应用于采油工程中的人工举升装置。螺杆泵在深井高温和复杂介质环境下工作,定子橡胶会发生温胀和溶胀,改变了定子内腔型线形状。型线的变化对螺杆泵系统的受力状态和水力性能有重要影响。 本文采用三维非线性有限元方法分析了螺杆泵定子在温胀和溶胀下的力学性能,采用单向解耦方法分析了定子的非均匀温度场。分析了橡胶定子溶胀下的长轴线性膨胀率曲线,并与溶胀实验进行了对比和分析。建立了模拟实际螺杆泵定转子的有限元模型,分析了定子在温胀和溶胀下的型线变化规律。在研究常规螺杆泵的基础上,提出了基于温胀和溶胀规律的定子型线改进设计方案,并计算了改进设计后螺杆泵的扭矩负载。计算结果表明,新型螺杆泵比常规螺杆泵有更好的工作性能,降低了扭矩负载及负载波动。 本文模拟了定子橡胶和举升液之间的流固耦合作用,计算了转子上的液压力、定子变形以及螺杆泵的漏失量。将模拟结果和实验结果对比表明,所建立的流固耦合模型可以准确模拟定子变形以及螺杆泵的漏失状况,而非耦合的模型会低估螺杆泵的漏失量。 本文比较全面的从螺杆泵定子温度场、输出扭矩、容积效率等方面考察了螺杆泵的举升性能,并且研究了螺杆泵的某些结构参数对举升性能的影响。本文建立的流固耦合模型对解释和研究螺杆泵水力特性有重要作用和指导意义。研究成果为新型螺杆泵设计提供了理论依据。


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