王雅然 李健忠 趙玉東 范寶樂 天津市百成油田采油設(shè)備制造有限公司

高性能、高可靠性潛油電泵軸向力推導(dǎo)計算

王雅然 李健忠 趙玉東 范寶樂 天津市百成油田采油設(shè)備制造有限公司

防砂的全壓型潛油電泵產(chǎn)生。該型潛油電泵加工裝配比較復(fù)雜，尤其是其軸向力計算比較復(fù)雜。通過離心泵設(shè)計的相關(guān)原理進(jìn)行計算和推導(dǎo)，簡化得到符合工程精度，便于計算的全壓泵軸向力計算公式。

潛油電泵 全壓泵 軸向力

1 引言

由于葉導(dǎo)輪加工和潛油泵裝配精度的問題，往往潛油泵設(shè)計成浮動型，即葉輪在導(dǎo)殼內(nèi)有一定的滑移空間，葉輪工作時受其各種及各方向的軸向力，經(jīng)相互疊加后形成平衡狀態(tài)，該平衡狀態(tài)使得葉輪停留在上述滑移空間的任意位置，這一平衡是動態(tài)的平衡。當(dāng)泵和井液參數(shù)變化時，其可以自動滑移到下一平衡的位置。因此全浮型潛油泵的各級葉輪自身平衡了做功所產(chǎn)生的軸向力，全浮泵所產(chǎn)生軸向力只是泵軸軸頭端面的壓力。

2 軸向力計算

根據(jù)泵相關(guān)理論，泵的軸向力由四部分組成：

（1）葉輪前后板不對稱產(chǎn)生的軸向力F1，此力指向葉輪吸入口方向。

（2）動反力F2此力指向葉輪后面（即指向葉輪排出口方向）。

（3）葉輪重量引起軸向力F3（潛油泵立式使用所以此力指向葉輪吸入方向）。

（4）軸端壓力引起的軸向力F4（潛油泵立式使用所以此力指向葉輪吸入口方向）。

已知：

Dm=67．28mm；Dn=33．48mm；n=2917r/min；G=0．635kg；

D2=108．2mm；DB=46mm；Dm2=82．6mm；Dj=58mm；

H=12．7m；Z=8葉片數(shù)；Su2=1mm（葉片厚度）；

b2=9．71mm（葉輪出口寬度）；Z1=8（平衡孔數(shù)）；

Q=300m3/D；a=62°；d=3．81mm（平衡孔直徑）；

ρ=1000kg/m3（水的密度）；g=9．8m/s2(N/kg)（重力加速度）；

B=0．34mm（密封間隙寬度）；L=8．86mm（密封間隙長度）；

2.1 蓋板力F1的計算

此力為F1：

2.2 動反力F2的計算

F2=ρQt(Vmo-Vm3cosa)，令Vm2=Vm3=3．49*（1．8251-0．50599645）=4．6037（N）

2.3 葉輪重量引起軸向力F3的計算

根據(jù)已知計算得：

F3=mg=0．635*9．8=6．223(N)

2.4 軸端壓力引起軸向力F4的計算

根據(jù)已知計算得：

F4=ρgh(Dn/2)2π=1000*9．8*12．7*3．14*0．05412=1143．81（N）

2.5 葉輪均采用平衡孔和密封環(huán)方式平衡軸向力F5的計算

根據(jù)已知計算得：

F5=（ξm/2g）(q/Fm)2ρgπ（Rm22-Rn2）=198．92（N）

2.6 離心泵軸向力一般估算方法F6的計算

F6=kρgHπ（Rm2-Rn2）

式中：

F6-----泵的總軸向力（N）；

H-----泵單級揚(yáng)程（m）；

Rm-----葉輪密封環(huán)半徑（m）；

Rn-----葉輪輪轂半徑（m）；

k-----系數(shù)，當(dāng)ns=30~100時，k=0．6；當(dāng)ns=100~220時，k=0．7；當(dāng) ns=240~280 時，k=0．8；

根據(jù)已知計算得：

因為 ns=49．3987，所以 k 取 0．6。

F6=kρgHπ（Rm2-Rn2）=210．892（N）

2.7 軸向合力F計算與分析

根據(jù)上述各步驟計算結(jié)果可以計算得到帶平衡孔結(jié)構(gòu)的潛油泵的軸向力合力F為：

F=F1-F2+F3+F4-F5

這里以力指向葉輪吸入口方向為正方向。

F=232．08+4．60+6．22+1143．81-198．92=1178．59（N）

即：

F=F1+F4-F5

根據(jù)計算發(fā)現(xiàn)F5是F1的85．71%，另根據(jù)離心泵相關(guān)資料，同時證明通過平衡孔可以平衡掉F1的88%-85%的軸向力所以我們?yōu)榱税踩紤]，在這里設(shè)F1-F5=15%F1，這樣有平衡孔的葉輪軸向力合力，簡化為：

F=0．15F6+F4（F=F6+F4，不帶平衡孔）

3 結(jié)論

根據(jù)上述計算與證明我可以得到以下結(jié)論：

①如果葉輪帶平衡孔其軸向力為F=0．15F6+F4單級葉輪；

②如果葉輪不帶平衡孔其軸向力為F=F6+F4單級葉輪。

這里為了安全需要可以把F6簡化為：

F6=ρgHπ（Rm2-Rn2）（可以以泵軸半徑代替）

式中：ρ-----為液體密度kg/m3；

g-----為重力加速度 9．8m/s2（N/kg）；

H------為單級泵揚(yáng)程m；

Rm-----為泵吸入口密封環(huán)半徑m；

Rn-----為泵吸入口輪轂半徑m；

[1]關(guān)醒凡，現(xiàn)代泵技術(shù)手冊，宇航出版社,1998

[2]梅思杰，邵永實(shí)等，潛油電泵技術(shù)，石油工業(yè)出版社，2004

本文授天津市依托互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)油田人工舉升設(shè)備的制造與服務(wù)項目支持，本文授天津市潛沒電泵重點(diǎn)實(shí)驗室支持。