油氣混輸雙螺桿泵轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)優(yōu)化與力學(xué)性能分析

孫 俊

(中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津 300457)

0 引言

隨著海洋石油的深層次開發(fā)，原油輸運(yùn)設(shè)備的重要性日益凸顯。海上所采原油由油、氣和水三相組成，為了減少傳統(tǒng)工藝中油、氣分離的生產(chǎn)成本，現(xiàn)階段海上平臺廣泛采用油氣混輸雙螺桿泵對原油進(jìn)行直接泵送，螺桿混輸泵的應(yīng)用極大地節(jié)約了設(shè)備成本，提高了海洋石油開采的經(jīng)濟(jì)效益。曹鋒等[1-2]通過研究Ω型螺桿轉(zhuǎn)子的空間接觸線、泄漏三角形和嚙合線，分析了其密封性能；邢子文等[3]推導(dǎo)了Ω型螺桿轉(zhuǎn)子截面型線構(gòu)成曲線的參數(shù)方程，分析其嚙合特性；汪旭輝[4]推導(dǎo)齒高系數(shù)和理論流量之間的關(guān)系，研究齒高系數(shù)對單頭和雙頭Ω型螺桿轉(zhuǎn)子理論流量的影響規(guī)律，推動雙螺桿泵的模塊化設(shè)計；李紀(jì)峰 等[5]計算了雙頭Ω型雙螺桿泵的理論流量，為型線優(yōu)化提供參考。生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的雙螺桿泵混輸泵在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中存在轉(zhuǎn)子易磨損，導(dǎo)致泵送效率降低問題；此外，轉(zhuǎn)子的力學(xué)性能差，容易造成轉(zhuǎn)子變形卡死，給生產(chǎn)作業(yè)帶來嚴(yán)重影響。

1 工作原理

雙螺桿混輸泵是一種容積式泵，兼具泵和壓縮機(jī)的功能，大多采用雙吸式結(jié)構(gòu)，能夠平衡軸向力，改善螺桿轉(zhuǎn)子工作過程中的受力特性。如圖1所示，雙螺桿混輸泵由主動軸、從動軸、螺桿轉(zhuǎn)子、泵芯、泵體、同步齒輪和軸承以及密封結(jié)構(gòu)等組成；雙螺桿轉(zhuǎn)子相互嚙合形成連續(xù)的螺旋工作腔，在同步齒輪的帶動下，螺桿工作腔從泵的進(jìn)口沿軸向移動到出口，實(shí)現(xiàn)對海上所采多相原油的吸入、增壓和排出。

雙螺桿轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)優(yōu)化如圖2所示，現(xiàn)有的雙螺桿轉(zhuǎn)子截面型線中存在尖點(diǎn)，導(dǎo)致生成的雙螺桿轉(zhuǎn)子存在不光滑的棱邊，在生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，帶有棱邊的雙螺桿轉(zhuǎn)子磨損適應(yīng)性差，在長時間的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，此處的嚙合關(guān)系容易被破壞，造成泵送效率下降；此外，螺桿轉(zhuǎn)子的力學(xué)性能不好，轉(zhuǎn)子容易變形卡死。為了解決這一問題，對雙螺桿轉(zhuǎn)子的型線進(jìn)行幾何修正，修正后的轉(zhuǎn)子型線如圖2(b)所示，型線中的尖點(diǎn)被消除。

如圖3所示，修正后的雙螺桿轉(zhuǎn)子型線可以實(shí)現(xiàn)正確嚙合，由修正后型線生成的雙螺桿轉(zhuǎn)子不再有不光滑的棱邊，提升了轉(zhuǎn)子的耐磨性能，減小了運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的應(yīng)力集中。

2 雙螺桿轉(zhuǎn)子受力分析

對型線修正后的雙螺桿轉(zhuǎn)子進(jìn)行受力變形研究，得到了螺桿轉(zhuǎn)子的受力變形規(guī)律，并與原有雙螺桿轉(zhuǎn)子進(jìn)行對比，驗證型線修正后的螺桿轉(zhuǎn)子力學(xué)性能優(yōu)于現(xiàn)有的螺桿轉(zhuǎn)子；螺桿轉(zhuǎn)子的材料采用不銹鋼304，此材料的基本性能如表1所示。

表1 不銹鋼304的材料屬性Tab.1 Material properties of stainless steel 304

螺桿轉(zhuǎn)子的三維模型如圖4所示。為了使螺桿轉(zhuǎn)子齒面壓力的加載與實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中受力的偏差更小，在螺桿轉(zhuǎn)子模型表面刻畫空間嚙合線，在三維設(shè)計軟件中，沿著空間嚙合線將轉(zhuǎn)子分割，再將轉(zhuǎn)子沿著嚙合線裝配。通過這種方法可以保證螺桿轉(zhuǎn)子齒面的壓力載荷在空間嚙合線兩邊的分布是均勻的，符合工程實(shí)際。

將三維建模軟件中處理之后的螺桿轉(zhuǎn)子的幾何模型導(dǎo)入到有限元分析軟件ANSYS Workbench中，并選定相同的網(wǎng)格參數(shù)對修正型螺桿轉(zhuǎn)子和傳統(tǒng)型螺桿轉(zhuǎn)子分別進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，網(wǎng)格的大小設(shè)置為2mm，劃分得到的修正型螺桿轉(zhuǎn)子的網(wǎng)格如圖5 所示。

在ANSYS Workbench軟件中對螺桿轉(zhuǎn)子施加壓力載荷和相應(yīng)的約束；在施加載荷和約束時，要結(jié)合雙螺桿混輸泵運(yùn)轉(zhuǎn)過程中泵內(nèi)螺旋工作腔的壓力分布特性，以及雙螺桿轉(zhuǎn)子空間嚙合線附近壓力的分布特性；此外，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，將泵進(jìn)口處的壓力設(shè)置為0.1MPa，出口處的壓力設(shè)置為5MPa。從進(jìn)口到出口，對雙螺桿泵的螺旋工作腔進(jìn)行壓力劃分，各工作腔的壓力如表2所示。

表2 壓力載荷Tab.2 Pressure load

在對螺桿轉(zhuǎn)子進(jìn)行靜力學(xué)分析時，除了上述對螺桿轉(zhuǎn)子齒面施加壓力載荷之外，還要結(jié)合雙螺桿混輸泵的工作過程，對螺桿轉(zhuǎn)子施加各種約束。本研究海上平臺采用的雙螺桿混輸泵，軸承所在位置為泵的進(jìn)口處。因此，螺桿轉(zhuǎn)子進(jìn)口處的約束為圓柱約束，不對轉(zhuǎn)軸的軸向運(yùn)動加以限制；把泵出口處的約束設(shè)置為固定約束，其余位置不進(jìn)行特殊設(shè)置，保持為默認(rèn) 狀態(tài)。載荷和約束設(shè)置完成后螺桿轉(zhuǎn)子的狀態(tài)如圖6所示。

3 螺桿轉(zhuǎn)子受力特性分析

按照上述載荷和約束的施加情況，對螺桿轉(zhuǎn)子的受力進(jìn)行計算。如圖7所示，傳統(tǒng)型螺桿轉(zhuǎn)子在上述條件下，應(yīng)力的最大值為160.91MPa，最大應(yīng)力位置為螺桿轉(zhuǎn)子靠近出口的端面，在靠近出口的齒根面位置是螺桿轉(zhuǎn)子應(yīng)力值較大的區(qū)域。在不同螺旋工作腔梯度壓差的影響下，螺桿轉(zhuǎn)子產(chǎn)生變形。

在相同的模擬工況下，修正型螺桿轉(zhuǎn)子的應(yīng)力分布如圖8所示，最大應(yīng)力值為140.19MPa，最大應(yīng)力降低12.877%，改善了受力狀況，與傳統(tǒng)型螺桿轉(zhuǎn)子相比，螺桿轉(zhuǎn)子的受力情況得到改善。通過對比分析發(fā)現(xiàn)，修正型螺桿轉(zhuǎn)子最大應(yīng)力位置與傳統(tǒng)型螺桿轉(zhuǎn)子相同，修正型螺桿轉(zhuǎn)子應(yīng)力較大區(qū)域為螺桿轉(zhuǎn)子中間的齒根面位置，應(yīng)力較大處離高壓位置較遠(yuǎn)。

4 螺桿轉(zhuǎn)子變形特性分析

圖9為傳統(tǒng)型螺桿轉(zhuǎn)子的變形圖，螺桿轉(zhuǎn)子中間位置的齒頂面變形最大，最大變形量為0.021mm。傳統(tǒng)型螺桿轉(zhuǎn)子的齒頂面與齒側(cè)面之間是不光滑過渡的，存在曲率突變的地方，故此種結(jié)構(gòu)容易導(dǎo)致大的變形。

圖10為修正型螺桿轉(zhuǎn)子的變形圖，與傳統(tǒng)型螺桿轉(zhuǎn)子相比，其最大變形量減小了47.619%，為0.011mm，最大變形位置與傳統(tǒng)型螺桿轉(zhuǎn)子相同。由變形圖可得，修正型螺桿轉(zhuǎn)子的變形范圍較小，由于通過型線修正消除了尖點(diǎn)，螺桿轉(zhuǎn)子不再存在不光滑的棱邊，相鄰齒面光滑連接，曲率變化小，從而使修正型螺桿轉(zhuǎn)子具有更好的受力和變形情況。

通過對修正型螺桿轉(zhuǎn)子和傳統(tǒng)型螺桿轉(zhuǎn)子應(yīng)力和應(yīng)變的分析，得到表3結(jié)果。

表3 螺桿轉(zhuǎn)子力學(xué)性能的對比Tab.3 Comparison of mechanical properties of screw rotors

綜上所述，通過型線修正消除了型線中的尖點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了雙螺桿轉(zhuǎn)子截面型線各構(gòu)成曲線的光滑連接，生成的螺桿轉(zhuǎn)子外緣沒有不光滑的棱邊。通過力學(xué)性能分析可知，修正型螺桿轉(zhuǎn)子力學(xué)性能得到改善，減小了應(yīng)力集中和轉(zhuǎn)子變形，解決了螺桿轉(zhuǎn)子易磨損和變形卡死的問題。

5 結(jié)論

①通過對雙螺桿混輸泵轉(zhuǎn)子型線的修正，消除了型線中的尖點(diǎn)，使得型線組成曲線光滑連接，且修正后的型線可以完全正確嚙合；修正型螺桿不存在不光滑的棱邊，改善了轉(zhuǎn)子的磨損適應(yīng)性。同一工況下，修正型螺桿轉(zhuǎn)子與傳統(tǒng)型螺桿轉(zhuǎn)子最大應(yīng)力均在出口端面處，相較傳統(tǒng)型螺桿轉(zhuǎn)子，最大應(yīng)力下降了12.877%，其值降為140.19MPa，從而改善了螺桿轉(zhuǎn)子的力學(xué)特性。

②研究修正型螺桿轉(zhuǎn)子的變形特征，與傳統(tǒng)型螺桿轉(zhuǎn)子相比，最大變形都發(fā)生在螺桿轉(zhuǎn)子中間的齒頂面；修正型螺桿轉(zhuǎn)子的最大變形量減小了47.619%，其值降至0.011mm，修正型螺桿轉(zhuǎn)子發(fā)生變形的范圍小于傳統(tǒng)型螺桿轉(zhuǎn)子，可減少轉(zhuǎn)子的變形卡死問題，改善了轉(zhuǎn)子力學(xué)性能。