双作用多级滚柱转子油泵优化设计

张生昌，连加俤，邓鸿英，柯愈龙，陈锡栋，张玉林

（浙江工业大学，杭州310014） ①

双作用多级滚柱转子油泵优化设计

张生昌，连加俤，邓鸿英，柯愈龙，陈锡栋，张玉林

（浙江工业大学，杭州310014）①

介绍了国内外抽油泵的类型和特点，并分析了各自的优缺点。以获得专利的双作用滚柱转子泵结构为基础，优化了定子型线和转子槽型，改进了吸排液腔，设计了滚柱平衡装置。改进后有效地改善了滚柱的受力，提高了该型泵的效率和可靠性。

滚柱转子泵；优化设计；平衡柱；定子流道；转子槽型

目前，油田使用较广泛的采油泵主要有井下螺杆泵、抽油泵和离心式电动潜油泵等。游梁式抽油机是机械采油的主要设备，约占机采井总数的75%［1－2］。螺杆泵效率与输送介质粘度直接关联，造价高，易损件寿命短，泵可靠性差，维护费用高［3－5］。离心式电动潜油泵适用于大流量参数内的输送条件，因为其抽送量大，适用于杆式泵的抽送量不能满足产量要求的场合［6－10］；但离心泵存在效率低、维护费用高、维护周期短、操作便利性差等问题。

本文在双作用滚柱转子泵（专利号：200910154897.2）、双作用转子泵用双流道定子（专利号：200810060215.7）、双作用无接触滑片泵（专利号：200510062213.8）3项发明专利基础上提出一种拥有自主知识产权的高效多级双作用滚柱转子式油泵。

1 泵工作原理及机构特征

双作用滚柱转子泵是国内首次提出的一种新型容积式［11］、由单级双作用滚柱转子泵串联构成的全新多级转子泵。该泵液力元件滚柱沿定子内表面做滚动运动，磨损小，功耗少，效率高，寿命长。当转子旋转时，泵同时吸液和排液，使泵具有双作用。其结构如图1所示。

图1 双作用滚柱转子泵结构

2 优化设计

鉴于双作用滚柱转子泵滚柱置于转子槽内，在液压力和离心力作用下沿定子内表面作滚动，因此滚柱运动状态与定子型线、吸排液腔位置、转子槽型及滚柱端面与配流盘轴向间隙密切相关。

2.1 定子型线优化

滚柱转子泵噪声来源于滚柱与定子内表面滚动所产生的机械噪声，因此该泵的定子内表面型线的设计至关重要。目前，该泵采用如图2所示定子型线，由2段长半径圆弧、2段短半径圆弧以及连接大小圆弧的4段过渡曲线组成；采用先进的8次曲线作为泵定子过渡曲线，使得该泵运行平稳，噪声低。其中定子型线过渡曲线方程［12］为

图2 定子型线的极坐标

2.2 吸排液腔的改进

原有滚柱转子泵进、出口未设置在定子上，如图3所示。在吸排介质时，进、出口流道液压力作用于滚柱端面，影响滚柱运动，造成滚柱偏磨。为了解决上述问题，对泵的进、出口位置进行改进，在定子上开设2个进口和2个出口流道（如图4所示），不仅使泵结构更紧凑，还消除了轴径向力，且防止进、出口流道对滚柱端面运动的影响，改善了其运动状况。

图3 原有定子

图4 改进定子

2.3 滚柱平衡柱应用

原有滚柱结构如图5所示，在滚柱端面液压力作用下，滚柱容易卡死且出现滚柱偏磨现象。针对上述问题，对滚柱端面结构进行改进，在滚柱两端面上开2个孔，将平衡柱置于孔内，用于补偿滚柱两端面液压力。平衡柱中间开直径1～2mm引流孔，使平衡柱不仅可以自润滑，同时消除平衡柱与滚柱间闭死容积；在平衡柱底部设置O形橡胶圈，利用O形橡胶圈的弹力端面补偿液压力，达到消除滚柱偏磨和卡死现象。优化后滚柱结构如图6所示。

图5 原有滚柱

图6 优化后滚柱

2.4 转子槽型优化

原转子结构如图7所示，滚柱置于转子槽内，在转子上开设卸荷槽，使滚柱根部与滚柱顶部液压相通，使滚柱上、下端面的压力抵消，避免闭死容积产生。小流量高扬程滚柱转子泵滚柱表面所受液压力影响滚柱正常滚动，液压力作用于滚柱上、下表面，造成滚柱运动为沿着定子内表面滑动，使泵无法正常运转。由滚柱受力分析（如图8所示）可知，上、下表面高液压力合力大小与转子槽夹角有关。为了进一步减少液压力对滚柱运动影响，将转子结构设计成如图1所示，并优化结构，降低加工难度；新结构不仅可消除闭死容积，同时减少了液压力对滚柱运动影响。

图7 原转子结构

图8 滚柱受力分析

2.4.1 滚柱受力分析

不考虑液压力，建立的滚柱平衡受力方程为

整理式（2）可得

2.4.2 转子槽型分析

转子型线由若干个槽型构成，槽型线优化设计能消除闭死容积。

根据几何推算得

式中，ψ为滚柱与定子接触的压力角。

由几何关系得槽型夹角为

令R2＋ρ（φ）2－2Rρ（φ）cos（ψ）＝p2，由余弦定理得

将式（5）代入式（6）中解得

要消除闭死容积和槽口圆弧总长小于转子外圆弧长，必须满足

式中，K为槽个数。

2.4.3 槽型夹角优选

在不考虑液压力的理想情况下，滚柱沿转子槽内表面滑动，其所受摩擦力的大小关系着滚柱运动受力状态。由受力状态可知，当F2最小时，滚柱摩擦损失最小，滚柱滚动状态最优。

应用式（3）、式（7）计算转子最优槽夹角值比较复杂，可以借助计算机编程计算。

2.4.4 槽型夹角实例计算

以流量为1m3／h、排出压力为1MPa的双作用滚柱转子泵为例，结合该泵的几何尺寸参数（如表1）及材料选取。该泵定子内表面和转子槽表面选取PEK为材料，滚柱选取氧化锆为材料［13］。

表1 泵的几何尺寸及设计参数

代入泵的各设计参数，利用Matlab软件计算［14］。取φ＝45°、φ＝30°、φ＝20°三个转角为例分析计算，即可得F2与α2关系曲线（如图9所示）。

图9 F2与α2关系曲线

由图9可知，F2随α2增加而减小。只需α2在满足26.5°＜θ＜56.6°区间内取最大值，即F2最小。

由方程式（9）绘出α2与α3关系曲线，如图10所示。

图10 α2与α3关系曲线

整理图10可得夹角取值关系，如表2所示。

表2 角度关系

由表2可知：θ≈0.738～0.748rad，满足26.5°＜θ＜56.6°区间范围；即在θ≈42.5°时，滑动摩擦力取最小，滚柱滚动状况最优。

3 结论

1） 提出一种滚柱转子泵。

2） 采用8次曲线作为过渡曲线，使泵运行平稳。

3） 新型定子流道，减小吸排液腔对滚柱端面影响，优化了泵性能。

4） 滚柱结构上设计平衡装置，补偿滚柱端面液压力，改善滚柱运动状态。

5） 建立优化转子槽型模型，推导出转子槽型线计算式，应用该计算式可以准确地计算出转子槽夹角的最优数值。

［1］ 张沙萨，杨 波.游梁式抽油机用电动机节能讨论［J］.微电机，2009，42（5）：61－65.

［2］ 栾庆德，闫玉奎，赵继锋，等.基于节能理论的抽油设备能耗分析及对策［J］.石油矿场机械，2008，37（10）：11－14.

［3］ 韩国有，姜长鑫，杜秀华.普通内摆线型双头螺杆泵建模及运动仿真［J］.石油矿场机械，2011，40（1）：1－4.

［4］ 殷凤玲，于卫东，孙 伟，等.螺杆钻具马达转子不同处理工艺的应用［J］.石油矿场机械，2010，39（3）：82－84.

［5］ 郝 点，宋 恒，陈海峰，等.基于Pro／Engineer的单螺杆泵运动学仿真分析［J］.石油矿场机械，2010，40（6）：42－48.

［6］ 石 磊，李 荣.倒置潜油电泵机组的应用分析［J］.石油矿场机械，2009，38（6）：75－77.

［7］ 刘金刚.潜油电泵注石脑油稀释工艺技术应用［J］.石油矿场机械，2010，40（6）：67－70.

［8］ 王力霞，张艳秋，王权鑫.可靠性分析在潜油电泵泵轴失效研究中的应用［J］.石油矿场机械，2008，37（4）：59－62.

［9］ 张全胜.潜油电泵系统的故障树分析［J］.石油矿场机械，2008，37（4）：47－50.

［10］ 丁宇奇，刘巨保，宋丽莉.潜油电泵机组斜井通过能力评价与应力分析［J］.石油矿场机械，2009，38（2）：76－80.

［11］ 聂如国.滚柱转子泵：中国，ZL98244569.5［P］.1999－10－20.

［12］ 张生昌，方宏生，邓鸿英，等.电动喷雾器用高效低噪双作用滚柱转子泵研制［J］.排灌机械，2008，26（4）：18－21.

［13］ 兰才有，仪修堂，薛桂宁，等.我国喷灌设备的研发现状及发展方向［J］.排灌机械，2005，23（1）：1－6.

［14］ 刘卫国.MATLAB程序设计与应用［M］.2版.北京：高等教育出版社，2008.

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

张生昌（1956－），男，江西新干人，教授级高级工程师，主要从事泵技术研究及特种泵开发工作，E－mail：zsc666＠zjut.edu.cn。