油气混输双螺杆泵转子结构优化与力学性能分析

孙 俊

(中海石油(中国)有限公司天津分公司 天津 300457)

0 引言

随着海洋石油的深层次开发，原油输运设备的重要性日益凸显。海上所采原油由油、气和水三相组成，为了减少传统工艺中油、气分离的生产成本，现阶段海上平台广泛采用油气混输双螺杆泵对原油进行直接泵送，螺杆混输泵的应用极大地节约了设备成本，提高了海洋石油开采的经济效益。曹锋等[1-2]通过研究Ω型螺杆转子的空间接触线、泄漏三角形和啮合线，分析了其密封性能；邢子文等[3]推导了Ω型螺杆转子截面型线构成曲线的参数方程，分析其啮合特性；汪旭辉[4]推导齿高系数和理论流量之间的关系，研究齿高系数对单头和双头Ω型螺杆转子理论流量的影响规律，推动双螺杆泵的模块化设计；李纪峰 等[5]计算了双头Ω型双螺杆泵的理论流量，为型线优化提供参考。生产实践中发现，现有的双螺杆泵混输泵在运转过程中存在转子易磨损，导致泵送效率降低问题；此外，转子的力学性能差，容易造成转子变形卡死，给生产作业带来严重影响。

1 工作原理

双螺杆混输泵是一种容积式泵，兼具泵和压缩机的功能，大多采用双吸式结构，能够平衡轴向力，改善螺杆转子工作过程中的受力特性。如图1所示，双螺杆混输泵由主动轴、从动轴、螺杆转子、泵芯、泵体、同步齿轮和轴承以及密封结构等组成；双螺杆转子相互啮合形成连续的螺旋工作腔，在同步齿轮的带动下，螺杆工作腔从泵的进口沿轴向移动到出口，实现对海上所采多相原油的吸入、增压和排出。

双螺杆转子结构优化如图2所示，现有的双螺杆转子截面型线中存在尖点，导致生成的双螺杆转子存在不光滑的棱边，在生产实践中发现，带有棱边的双螺杆转子磨损适应性差，在长时间的运转过程中，此处的啮合关系容易被破坏，造成泵送效率下降；此外，螺杆转子的力学性能不好，转子容易变形卡死。为了解决这一问题，对双螺杆转子的型线进行几何修正，修正后的转子型线如图2(b)所示，型线中的尖点被消除。

如图3所示，修正后的双螺杆转子型线可以实现正确啮合，由修正后型线生成的双螺杆转子不再有不光滑的棱边，提升了转子的耐磨性能，减小了运转过程中的应力集中。

2 双螺杆转子受力分析

对型线修正后的双螺杆转子进行受力变形研究，得到了螺杆转子的受力变形规律，并与原有双螺杆转子进行对比，验证型线修正后的螺杆转子力学性能优于现有的螺杆转子；螺杆转子的材料采用不锈钢304，此材料的基本性能如表1所示。

表1 不锈钢304的材料属性Tab.1 Material properties of stainless steel 304

螺杆转子的三维模型如图4所示。为了使螺杆转子齿面压力的加载与实际生产运行中受力的偏差更小，在螺杆转子模型表面刻画空间啮合线，在三维设计软件中，沿着空间啮合线将转子分割，再将转子沿着啮合线装配。通过这种方法可以保证螺杆转子齿面的压力载荷在空间啮合线两边的分布是均匀的，符合工程实际。

将三维建模软件中处理之后的螺杆转子的几何模型导入到有限元分析软件ANSYS Workbench中，并选定相同的网格参数对修正型螺杆转子和传统型螺杆转子分别进行网格的划分，网格的大小设置为2mm，划分得到的修正型螺杆转子的网格如图5 所示。

在ANSYS Workbench软件中对螺杆转子施加压力载荷和相应的约束；在施加载荷和约束时，要结合双螺杆混输泵运转过程中泵内螺旋工作腔的压力分布特性，以及双螺杆转子空间啮合线附近压力的分布特性；此外，结合生产实际，将泵进口处的压力设置为0.1MPa，出口处的压力设置为5MPa。从进口到出口，对双螺杆泵的螺旋工作腔进行压力划分，各工作腔的压力如表2所示。

表2 压力载荷Tab.2 Pressure load

在对螺杆转子进行静力学分析时，除了上述对螺杆转子齿面施加压力载荷之外，还要结合双螺杆混输泵的工作过程，对螺杆转子施加各种约束。本研究海上平台采用的双螺杆混输泵，轴承所在位置为泵的进口处。因此，螺杆转子进口处的约束为圆柱约束，不对转轴的轴向运动加以限制；把泵出口处的约束设置为固定约束，其余位置不进行特殊设置，保持为默认 状态。载荷和约束设置完成后螺杆转子的状态如图6所示。

3 螺杆转子受力特性分析

按照上述载荷和约束的施加情况，对螺杆转子的受力进行计算。如图7所示，传统型螺杆转子在上述条件下，应力的最大值为160.91MPa，最大应力位置为螺杆转子靠近出口的端面，在靠近出口的齿根面位置是螺杆转子应力值较大的区域。在不同螺旋工作腔梯度压差的影响下，螺杆转子产生变形。

在相同的模拟工况下，修正型螺杆转子的应力分布如图8所示，最大应力值为140.19MPa，最大应力降低12.877%，改善了受力状况，与传统型螺杆转子相比，螺杆转子的受力情况得到改善。通过对比分析发现，修正型螺杆转子最大应力位置与传统型螺杆转子相同，修正型螺杆转子应力较大区域为螺杆转子中间的齿根面位置，应力较大处离高压位置较远。

4 螺杆转子变形特性分析

图9为传统型螺杆转子的变形图，螺杆转子中间位置的齿顶面变形最大，最大变形量为0.021mm。传统型螺杆转子的齿顶面与齿侧面之间是不光滑过渡的，存在曲率突变的地方，故此种结构容易导致大的变形。

图10为修正型螺杆转子的变形图，与传统型螺杆转子相比，其最大变形量减小了47.619%，为0.011mm，最大变形位置与传统型螺杆转子相同。由变形图可得，修正型螺杆转子的变形范围较小，由于通过型线修正消除了尖点，螺杆转子不再存在不光滑的棱边，相邻齿面光滑连接，曲率变化小，从而使修正型螺杆转子具有更好的受力和变形情况。

通过对修正型螺杆转子和传统型螺杆转子应力和应变的分析，得到表3结果。

表3 螺杆转子力学性能的对比Tab.3 Comparison of mechanical properties of screw rotors

综上所述，通过型线修正消除了型线中的尖点，实现了双螺杆转子截面型线各构成曲线的光滑连接，生成的螺杆转子外缘没有不光滑的棱边。通过力学性能分析可知，修正型螺杆转子力学性能得到改善，减小了应力集中和转子变形，解决了螺杆转子易磨损和变形卡死的问题。

5 结论

①通过对双螺杆混输泵转子型线的修正，消除了型线中的尖点，使得型线组成曲线光滑连接，且修正后的型线可以完全正确啮合；修正型螺杆不存在不光滑的棱边，改善了转子的磨损适应性。同一工况下，修正型螺杆转子与传统型螺杆转子最大应力均在出口端面处，相较传统型螺杆转子，最大应力下降了12.877%，其值降为140.19MPa，从而改善了螺杆转子的力学特性。

②研究修正型螺杆转子的变形特征，与传统型螺杆转子相比，最大变形都发生在螺杆转子中间的齿顶面；修正型螺杆转子的最大变形量减小了47.619%，其值降至0.011mm，修正型螺杆转子发生变形的范围小于传统型螺杆转子，可减少转子的变形卡死问题，改善了转子力学性能。