雙作用多級滾柱轉子油泵優化設計

張生昌，連加俤，鄧鴻英，柯愈龍，陳錫棟，張玉林

（浙江工業大學，杭州310014） ①

雙作用多級滾柱轉子油泵優化設計

張生昌，連加俤，鄧鴻英，柯愈龍，陳錫棟，張玉林

（浙江工業大學，杭州310014）①

介紹了國內外抽油泵的類型和特點，并分析了各自的優缺點。以獲得專利的雙作用滾柱轉子泵結構為基礎，優化了定子型線和轉子槽型，改進了吸排液腔，設計了滾柱平衡裝置。改進后有效地改善了滾柱的受力，提高了該型泵的效率和可靠性。

滾柱轉子泵；優化設計；平衡柱；定子流道；轉子槽型

目前，油田使用較廣泛的采油泵主要有井下螺桿泵、抽油泵和離心式電動潛油泵等。游梁式抽油機是機械采油的主要設備，約占機采井總數的75%［1－2］。螺桿泵效率與輸送介質粘度直接關聯，造價高，易損件壽命短，泵可靠性差，維護費用高［3－5］。離心式電動潛油泵適用于大流量參數內的輸送條件，因為其抽送量大，適用于桿式泵的抽送量不能滿足產量要求的場合［6－10］；但離心泵存在效率低、維護費用高、維護周期短、操作便利性差等問題。

本文在雙作用滾柱轉子泵（專利號：200910154897.2）、雙作用轉子泵用雙流道定子（專利號：200810060215.7）、雙作用無接觸滑片泵（專利號：200510062213.8）3項發明專利基礎上提出一種擁有自主知識產權的高效多級雙作用滾柱轉子式油泵。

1 泵工作原理及機構特征

雙作用滾柱轉子泵是國內首次提出的一種新型容積式［11］、由單級雙作用滾柱轉子泵串聯構成的全新多級轉子泵。該泵液力元件滾柱沿定子內表面做滾動運動，磨損小，功耗少，效率高，壽命長。當轉子旋轉時，泵同時吸液和排液，使泵具有雙作用。其結構如圖1所示。

圖1 雙作用滾柱轉子泵結構

2 優化設計

鑒于雙作用滾柱轉子泵滾柱置于轉子槽內，在液壓力和離心力作用下沿定子內表面作滾動，因此滾柱運動狀態與定子型線、吸排液腔位置、轉子槽型及滾柱端面與配流盤軸向間隙密切相關。

2.1 定子型線優化

滾柱轉子泵噪聲來源于滾柱與定子內表面滾動所產生的機械噪聲，因此該泵的定子內表面型線的設計至關重要。目前，該泵采用如圖2所示定子型線，由2段長半徑圓弧、2段短半徑圓弧以及連接大小圓弧的4段過渡曲線組成；采用先進的8次曲線作為泵定子過渡曲線，使得該泵運行平穩，噪聲低。其中定子型線過渡曲線方程［12］為

圖2 定子型線的極坐標

2.2 吸排液腔的改進

原有滾柱轉子泵進、出口未設置在定子上，如圖3所示。在吸排介質時，進、出口流道液壓力作用于滾柱端面，影響滾柱運動，造成滾柱偏磨。為了解決上述問題，對泵的進、出口位置進行改進，在定子上開設2個進口和2個出口流道（如圖4所示），不僅使泵結構更緊湊，還消除了軸徑向力，且防止進、出口流道對滾柱端面運動的影響，改善了其運動狀況。

圖3 原有定子

圖4 改進定子

2.3 滾柱平衡柱應用

原有滾柱結構如圖5所示，在滾柱端面液壓力作用下，滾柱容易卡死且出現滾柱偏磨現象。針對上述問題，對滾柱端面結構進行改進，在滾柱兩端面上開2個孔，將平衡柱置于孔內，用于補償滾柱兩端面液壓力。平衡柱中間開直徑1～2mm引流孔，使平衡柱不僅可以自潤滑，同時消除平衡柱與滾柱間閉死容積；在平衡柱底部設置O形橡膠圈，利用O形橡膠圈的彈力端面補償液壓力，達到消除滾柱偏磨和卡死現象。優化后滾柱結構如圖6所示。

圖5 原有滾柱

圖6 優化后滾柱

2.4 轉子槽型優化

原轉子結構如圖7所示，滾柱置于轉子槽內，在轉子上開設卸荷槽，使滾柱根部與滾柱頂部液壓相通，使滾柱上、下端面的壓力抵消，避免閉死容積產生。小流量高揚程滾柱轉子泵滾柱表面所受液壓力影響滾柱正常滾動，液壓力作用于滾柱上、下表面，造成滾柱運動為沿著定子內表面滑動，使泵無法正常運轉。由滾柱受力分析（如圖8所示）可知，上、下表面高液壓力合力大小與轉子槽夾角有關。為了進一步減少液壓力對滾柱運動影響，將轉子結構設計成如圖1所示，并優化結構，降低加工難度；新結構不僅可消除閉死容積，同時減少了液壓力對滾柱運動影響。

圖7 原轉子結構

圖8 滾柱受力分析

2.4.1 滾柱受力分析

不考慮液壓力，建立的滾柱平衡受力方程為

整理式（2）可得

2.4.2 轉子槽型分析

轉子型線由若干個槽型構成，槽型線優化設計能消除閉死容積。

根據幾何推算得

式中，ψ為滾柱與定子接觸的壓力角。

由幾何關系得槽型夾角為

令R2＋ρ（φ）2－2Rρ（φ）cos（ψ）＝p2，由余弦定理得

將式（5）代入式（6）中解得

要消除閉死容積和槽口圓弧總長小于轉子外圓弧長，必須滿足

式中，K為槽個數。

2.4.3 槽型夾角優選

在不考慮液壓力的理想情況下，滾柱沿轉子槽內表面滑動，其所受摩擦力的大小關系著滾柱運動受力狀態。由受力狀態可知，當F2最小時，滾柱摩擦損失最小，滾柱滾動狀態最優。

應用式（3）、式（7）計算轉子最優槽夾角值比較復雜，可以借助計算機編程計算。

2.4.4 槽型夾角實例計算

以流量為1m3／h、排出壓力為1MPa的雙作用滾柱轉子泵為例，結合該泵的幾何尺寸參數（如表1）及材料選取。該泵定子內表面和轉子槽表面選取PEK為材料，滾柱選取氧化鋯為材料［13］。

表1 泵的幾何尺寸及設計參數

代入泵的各設計參數，利用Matlab軟件計算［14］。取φ＝45°、φ＝30°、φ＝20°三個轉角為例分析計算，即可得F2與α2關系曲線（如圖9所示）。

圖9 F2與α2關系曲線

由圖9可知，F2隨α2增加而減小。只需α2在滿足26.5°＜θ＜56.6°區間內取最大值，即F2最小。

由方程式（9）繪出α2與α3關系曲線，如圖10所示。

圖10 α2與α3關系曲線

整理圖10可得夾角取值關系，如表2所示。

表2 角度關系

由表2可知：θ≈0.738～0.748rad，滿足26.5°＜θ＜56.6°區間范圍；即在θ≈42.5°時，滑動摩擦力取最小，滾柱滾動狀況最優。

3 結論

1） 提出一種滾柱轉子泵。

2） 采用8次曲線作為過渡曲線，使泵運行平穩。

3） 新型定子流道，減小吸排液腔對滾柱端面影響，優化了泵性能。

4） 滾柱結構上設計平衡裝置，補償滾柱端面液壓力，改善滾柱運動狀態。

5） 建立優化轉子槽型模型，推導出轉子槽型線計算式，應用該計算式可以準確地計算出轉子槽夾角的最優數值。

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Optimization Design for a Type of Double－action Roller Rotary Pump with High Efficiency

ZHANG Sheng－chang，LIAN Jia－di，DENG Hong－ying，KE Yu－long，CHEN Xi－dong，ZHANG Yu－lin
（Zhejiang University of Technology，Hangzhou310014，China）

The advantage and the disadvantage of oil well pump，and the characteristic of domestic and foreign made oil well pump were discussed.The new type of multi stage and double－action roller rotary oil pump was developed which improves the force condition of roller，and pump efficiency and reliability are as follow：stator profile optimization，stator flow improvement，designing balance column，and the rotor slot optimization.

roller rotary pump；optimization design；balance column；stator flow；rotor slot

1001－3482（2011）12－0033－05

TE933.3

A

2011－06－15

張生昌（1956－），男，江西新干人，教授級高級工程師，主要從事泵技術研究及特種泵開發工作，E－mail：zsc666＠zjut.edu.cn。