往复泵和空气包原理谷风建筑课件

第一章往复泵

1.1概述

泵是一种输送液体的机械，它把原动机的机械能或其它能源传递给液体，借以增加液体能量。

根据结构特征和作用不同，泵可分为三个基本类型。

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(1)容积式泵：依靠包容液体的密封工作空间容积周期性的变化，把能量周期性地传递给液体，使液体的压力增加到将液体强行排出。

往复泵:2向上文档螺杆泵属于这一类。3向上文档

(2)叶轮式泵依靠旋转的叶轮对液体的动力作用，把能量连续地传递给液体，使液体的速度能（为主)和压力能的能量增加，随后通过压出室将大部分速度能转换为压力能。如离心泵，轴流泵和旋涡泵属于这一类。

4向上文档(3)其它类型泵如射流泵，5向上文档水锤泵等。6向上文档

往复泵是一种典型的容积泵。它包容液体的密封工作空间容积由于活塞(或柱塞)的往复运动而产生周期性变化，从而把活塞(或柱塞)运动的机械能转变成为液体的压能。

它在石油矿场上应用非常广泛。它常常用于高压下输送高粘度、大密度和高含砂量的液体，而流量相对较小。

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在钻井过程中，需要携带出井底的岩屑和供给井底动力钻具的动力，这种用于向井底输送和循环钻井液的往复泵，被称为钻井泵或泥浆泵。

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为了加固井壁，向井底注入高压水泥的往复泵被称为固井泵或水泥泵；9向上文档

为了造成油层的人工裂缝，提高原油产量和采收率，用于向井内注入含有大量固体颗粒的液体或酸碱液体的往复泵，称为压裂泵；

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在采油过程中，用于在井内抽汲原油的往复泵，称为抽油泵；等等。11向上文档1.1.1往复泵的工作原理

图1－1是卧式单缸单作用往复泵示意图。12向上文档

工作时，动力机通过皮带，传动轴，齿轮等传动部件带动主轴及固定于其上的曲柄旋转。13向上文档

当曲柄从水平位置自左向逆时针旋转时，活塞向右边亦即泵的动力端移动，液缸内形成一定的真空度，吸入池中的液体在液面压力Pa的作用下，推开吸入阀，进入液缸内，直到活塞移到右死点位置为止。这个过程，称作液缸的吸入过程。14向上文档

曲柄继续转动，活塞开始向左亦即泵的液力端移动，缸套内液体受到挤压，压力升高，吸入阀关闭，直到缸内压力升高到大于排出管线上的压力，排出阀被推开，液体经排出阀和排出管排出，直到活塞移到左死点为止。

这一过程称作液缸的排出过程。15向上文档

曲柄连续旋转，每一周内活塞往复运动一次，单作用泵的液缸完成一次吸入和排出过程。

在吸入和排出过程中，活塞移动的距离以s表示，称作活塞的行程长度：曲柄半径用r表示。

它们之间的关系为:

S＝2r16向上文档1.1.2往复泵的分类

按照结构特点，石油矿场用拄复泵大致可按以下四方面分类：

1.按缸数分:有单缸泵、双缸泵、三缸泵、四缸泵等。

2.按作用方式分:有单作用式和双作用式两种。17向上文档

单作用式泵如图1－1所示，其活塞在液缸内往复一次，该液缸作一次吸入和一次排出。

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双作用式泵如图

1－2所示，液缸被活塞分为两个工作室，无活塞杆的为前工作室，有活塞杆的为后工作室，每个室都有吸入和排出阀。

双作用泵，活塞往复运动一次，其液缸完成吸入过程和排出过程各二次。

19向上文档20向上文档3.按液缸的布置方案及其相互位置分：有卧式泵、立式泵、V形泵、星形泵等。

21向上文档4.按活塞式样分：

有活塞泵

(如图1－1)22向上文档

柱塞泵(图1—3)。

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通常以泵的上述主要特点来区分各种不同类型的泵，如单缸单作用立式柱塞泵、双缸双作用卧式活塞泵、三缸单作用柱塞泵等。24向上文档

1.1.3往复泵的基本参数

反映泵基本工作性能的参数有：

1.泵的排量：泵的排量是指单位时间内泵通过管道所输送的液体量。

排量通常以单位时间内的体积表示，称作体积排量，代表符号为Q，单位为l/s或m3／s。

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2.泵的压力：

泵的压力通常指泵排出口处液体的压力，代表符号为P，单位为MPa。

3.泵的功率和效率:

单位时间内动力机传到往复泵主轴上的能量，称为泵的输入功率。以N主表示。26向上文档

而单位时间内液体通过泵后所获得的能量称为泵的有效功率，或输出功率，以N表示。

泵的功率单位一般为kw，现场也习惯用马力（HP)来表示。

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4.泵速

泵速是指单位时间内活塞或柱塞的往复次数，也称作泵的冲次，以n表示，单位为冲/min。28向上文档1.2往复泵的排量

1.2.1往复泵的平均排量：

往复泵的排量与活塞面积F(m2)，活塞冲程S(m)以及冲程次数n(冲／min)有关。

往复泵在单位时间内理论上应输送的液体体积，称作泵的理论平均排量Q理均。

29向上文档30向上文档31向上文档

对于双作用往复泵，活塞往复一次，各液缸输送液体两次，液体体积为(2F－f)S。设泵的缸数为i，则i缸双作用泵的理论平均排量为:

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实际上，往复泵工作时，由于吸入阀和排出阀不能及时开启或及时关闭；泵阀、活塞和其它密封处可能有高压液体漏失；泵缸中或液体中含有气体而降低吸入充满度等等，都可能使泵的实际排量降低。33向上文档34向上文档1.2.2往复泵的排量曲线

1.瞬时排量

由于往复泵活塞速度是变化的，故每个液缸的排量也因之而变化。

设活塞的截面积为F，活塞运动速度为u

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图1－4为曲柄滑块机构传动的往复泵运动简图，它将泵主轴的等速旋转运动(角速度ω)转变为活塞的往复直线运动。

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因为：r/L≤0.2,sinφ≤1，

所以：（r/L）2×sin2φ很小，舍去。

于是得：

37向上文档讨论：

φ＝0cosφ＝1X≈r＋L（右死点）

φ＝π/2cosφ＝0X≈L(∵r/L很小，L与X轴

夹角很小，∴X≈L)

φ＝πcosφ＝1X≈－r＋L＝L－r（左死点）

φ＝2π/3cosφ＝0X≈L

φ＝2πcosφ＝1X≈r＋L（右死点）38向上文档

因为活塞冲程：

S＝（r＋L）－X

＝（r＋L）－（r×cosφ＋L）

＝r－r*cosφ

＝r（1－cosφ）

即：S＝r（1－cosωt）

所以:u＝S’＝r*sinωt*ω＝r*ω*sinωt

a＝u’＝r*ω*cosωt*ω＝r*ω2*cosωt

39向上文档往复泵得瞬时排量：

因为：微体积ΔV＝F×ΔS

式中：F－活塞面积；

ΔS－微位移；

所以：

（∵）

所以：Q瞬＝F×u＝F×rωsinωt

因为：

所以：

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对于多缸泵，其瞬时排量为每一液缸在同一瞬时输送的液体量之和。41向上文档

2.往复泵的排量曲线

往复泵工作时，各液缸（或工作室)及泵的瞬时排量按一定规律变化，如果以曲柄转角Φ为横坐标，排量为纵坐标，即可作出泵的瞬时排量和平均排量随曲柄转角变化的曲线，称之为泵的排量曲线。42向上文档

图1－5为单缸单作用往复泵的排量曲线。43向上文档图1－6双缸双作用往复泵的排量曲线。

44向上文档图1－7三缸单作用往复泵的排量曲线。45向上文档

1.2.3往复泵的排量不均度

任何类型的往复泵，在曲柄转动一周的过程中，其理论瞬时排量都是变化的，该排量的波动将引起吸入和排出管线上流量和压力的波动而使管线振动。在往复泵的运行中，人们希望泵的排量均匀，工作平稳。46向上文档

47向上文档48向上文档49向上文档

1.2.4往复泵的排量系数

往复泵的实际工作过程与理论工作过程有一定的差异，而使泵实际排量小于理论排量，具体分析如下：

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1.吸入过程

在排出终了和吸入开始的瞬间，排出阀由于滞后不能及时关闭，余隙容积(活塞在前死点位置时的工作腔容积)中的液体压力仍等于排出压力。因此，当活塞向右移动时，工作腔内的液体压力不可能骤降，而是逐渐下降，使排出阀关闭。泵内压力低于吸入管线压力时，吸入阀开启，液体才开始吸入，所以泵的实际吸入行程要比理想的短。51向上文档

此外，在吸入过程中存在着高压液体通过已关闭的排出阀密封面向工作腔的泄漏（对于双作用泵，还存在另一工作腔的高压液体通过活塞密封面向低压侧的泄漏)；

外界空气通过密封不严密处进入工作腔；

溶解在液体中的气体因压力降低而析出以及液体吸入时带进来的气体，这些都占据了一定的工作腔容积，使实际吸入的液体小于行程容积，造成容积损失。

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2.排出过程

在排出开始瞬间，吸入阀由于滞后也不能及时关闭，以及液体在高压下的可压缩性(特别是工作腔内含有气体则更为明显)，使工作腔内的液体压力不可能骤增，而是逐渐升高，直至吸入阀关闭，腔内压力大于排出管线压力后，排出阀开启，液体才开始排出。实际排出行程也要比理论行程短，在排出过程中也存在高压液体通过吸入阀密封面以及活塞，填料箱等密封处向低压侧的泄漏，使实际排出的液体量小于行程容积。

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综上所述，导致实际排量小于理论排量的主要原因是：

吸入和排出过程开始阶段的冲程损失，压缩液体和气体等引起的冲程损失和各密封处的漏失损失。

即一方面由于实际进泵液体小于理论排量，另一方面由于进泵后获得能量的液体存在漏失。

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1.3往复泵的压头、功率和效率

1.3.1往复泵的有效压头

液体的位置水头，压力水头和速度水头分别表示单位重量液体所具有的位能，压能及动能大小。它们之和是液体的总水头，即单位重量液体所具有的总能量，以J/N表示。

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图1－8所示的泵和管线系统，由于泵对液体作功，即把机械能传递给液体，液体本身能量将增加，如以N表示重量单位,以N.M(即J)表示能量单位，以H表示单位重量液体由泵获得的能量，则H的单位为(J/N)

称作泵的有效压头或扬程。

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泵的吸入阀和排出阀以及液缸内的水力损失全部属于泵内损失，它影响泵的效率，但不包括在管路损失之内。59向上文档

即泵的有效压头H等于排出池液面与吸入池液面的总比能差，加上吸入和排出管线中水头损失。这就是说泵供给单位重量液体的能量，是用在提高液体的总比能和克服全部管线中的液体流动阻力两个方面。

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在这种情况下，泵的有效压头就等于排出池与吸入池液面高度差和管路中的水头损失。61向上文档

以上各式都不能直接确定泵的有效压头，实际上，现场多采用比较简便的办法，直接确定泵的有效压头。如图1－8所示，在泵入口处(Ⅱ－Ⅱ断面)安装真空表，在泵出口处(Ⅲ－Ⅲ断面)安装压力表。

因为：表压力＝绝对压力－大气压力

(绝对压力>大气压力)

真空度＝大气压力－绝对压力

(绝对压力<大气压力)

62向上文档63向上文档64向上文档65向上文档

每一部分水头损失主要取决于泥浆的性能及其在管道中的流型，流速和管长等因素，管路尺寸愈长，井愈深，水头损失愈大。在管路尺寸一定的条件下，管路水头损失与流量平方成正比，即

P管＝BQ2。66向上文档67向上文档1.3.2往复泵的功率

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N为泵的实际工作效果，因此称为泵的有效功率，又称作泵的水力功率或输出功率。

显然，泵之所以能将能量传给液体，是由于外界机械能输入的结果。假定发动机(柴油机、电动机等)输送到泵主轴(或称传动轴)上的功率为N主（或Np，一般称N主为泵的主轴功率或泵的输入功率)，69向上文档70向上文档71向上文档1.3.3往复泵的效率

往复泵工作过程中的功率损失，如图1－9所示，包括以下几个方面：72向上文档

1.机械损失ΔN机

它是克服泵内齿轮传动、轴承、活塞、盘根和十字头等机械摩擦所消耗的能量。

泵输入功率N主减去这部分损失后所剩下功率，称为泵的转化功率，即单位时间内由机械能转化为液体能量的那一部分功率，以Ni表示。73向上文档74向上文档

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3.容积损失ΔN漏

泵实际排出的液体体积总比泵的理论排出体积小，这是由于有一部分已经获得能量的高压液体从活塞与缸套之间、活塞杆与密封之间、阀与阀座之间漏失所致。76向上文档77向上文档

这部分漏失的高压流体的体积为ΔQ漏，它造成的能量损失为ΔN漏（见图1－9）。78向上文档

1.4往复泵的吸入、排出过程和空气包

1.4.1往复泵的正常吸入条件

往复泵所以能从吸入池中吸入液体，是由于活塞在液缸内运动，使缸内压力低于吸入池液面上的压力，在压力差的作用下液体流进液缸。79向上文档

图1-10所示为往复泵吸入流道示意图。

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吸入池断面为1－1断面，由于液池很大，吸入过程中液面的变化速度可视为零，即比动能为零；断面上的压力为大气压力Pa，即比压能为Pa／ρg。如果吸入池是封闭罐或用离心泵向往复泵内灌注液体，则Pa应为封闭液灌内液面压力，或灌注泵出口压力。

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在断面1－1处，液体的总比能为：

E1－1＝Pa／ρg

在活塞断面2－2处，液体与活塞一起运动，比动能为u2／ρg；比位能是Z0，

Z0＝Z1十Z2

Z1为液面到吸入法兰的高差，Z2为吸入法兰到泵的液缸中心的高差。82向上文档

设液缸内的绝对压力为P吸，

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往复泵在工作过程中，为了把液体吸入液缸，应使液缸内的吸入压力小于吸入池液面压力，即P吸＜Pa。但缸内的吸入压力也不能无限制地降低。

因为当P吸小于或等于液体在该温度下的汽化压力Pt时，部分液体就会在缸内开始汽化，其结果将使泵的充满系数降低，甚至产生气蚀现象。84向上文档

严重的气蚀将导致水击，使泵不能正常工作，甚至损坏泵的零部件。

为了避免上述情况的发生，应使液缸内的最小吸入压力P吸min始终大于液体的汽化压力。85向上文档

液体的汽化压力和温度有关，温度不同，汽化压力也不同。表1－1中给出了几种液体在不同温度下在汽化压力。86向上文档87向上文档

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为保证液缸内的液体不发生汽化，往复泵的实际安装高度Z应小于允许安装高度[Z0]，即

Z＜[Z0]。89向上文档

为了改善往复泵的吸入性能，特别是提高泵的自吸能力，一般可采取的措施有：

1)减小h阻的具体措施有：缩短吸入管线长度；适当增大管径；尽量少采用弯头和阀门等。

2)安装吸入空气包以降低吸入管中液体的惯性水头。90向上文档

3)降低泵安装高度或提高吸入池液面高度；采用罐吸或离心泵灌注。

4)对冲次较高的往复泵，采用有效过流面积较大的通孔阀以减小K阻和K惯。

5)降低冲次以减少h惯、K惯。91向上文档

4.2往复泵排出过程中液缸内的压力变化规律

往复泵排除过程中，活塞挤压缸内液体，使压力提高，以克服液体在排出流道中的流动阻力和惯性力，以及排出阀的阻力和惯性力，增加液体位能，并使液体具有一定的流动速度。

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图1－11泵排出过程示意图

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与吸入过程类似，由图1－11所示泵排出过程示意图，可以得到排出过程的能量平衡方程式：94向上文档

由图1－12可以看出，由于活塞运动速度不稳定而引起排出流道中液流不稳定，造成液缸内压力变化很大。95向上文档

各种影响因素中，惯性水头的影响是最大的，因为h惯与排出管线长度成正比，故当泵速较高时，h惯可达到相当大的数值。

这样，在排出过程刚开始时，缸内压头P排／ρg很大，使泵的零件受到很大的载荷；而在排出终了时，由于h惯达到最大负值，有可能使P排／ρg变为负值或小于汽化压头Pt／ρg，导致液体与活塞脱离，或发生汽化。

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此外，排出压力的波动，使泵和动力机负载不均匀，工作条件恶化。尤其当排出压力变化频率与排出管线自振频率相同或成整数倍时，将引起共振，使其无法正常工作。因此，一般的往复泵(特别是钻井泵)都配有排出空气包，以便尽可能降低或消除排出管线中流动液体的惯性水头，减小排出压力的波动(如图1－12中的虚线所示)。97向上文档

1.4.3空气包

往复泵工作过程中，由于结构和工作特点必然产生流量和压力的波动，除了使泵的效率降低，吸入性能恶化，泵和管线使用寿命缩短外，还将降低往复泵的使用效果，例如在钻井过程中由于钻井液的排量和压力波动，将降低泥浆携带岩屑的能力，甚至导致井壁坍塌和漏失。因此，为了改善往复泵的工作条件，尽可能减少由于排量和压力波动对往复泵工作的影响，必须将压力波动降低到容许范围内。98向上文档

目前常用的办法是在泵的吸入口和排出口处配置空气包。空气包应尽可能安装在靠近泵的液缸处，装在吸入口附近的称为吸入空气包，装在排出口附近的称为排出空气包。

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1.空气包的工作原理

吸入空气包和排出空气包都是一个内部充以一定压力的氮气或空气的密闭容器，其基本功能是利用气体的可压缩性，随着吸入压力或排除压力的变化，自动的向泵或排出管线供给液体，或者储存一部分来自吸入管线或泵的液体，使吸入总管内或排除总管内液流均匀，惯性力减小，从而降低压力波动。100向上文档

但是自吸入空气包至泵缸或自泵缸至排出空气包的支管内，其液流仍随着活塞的运动规律而变化，空气包对这一段管线不起调节作用。101向上文档

图1-13表示一个单作用液缸的吸入冲程中吸入空气包的三个主要工作阶段。当吸入冲程开始时，活塞的加速度使液缸内的压力P吸迅速降低，在压力差作用下吸入阀打开，吸入管中液体加速。102向上文档

这时，如果没有吸入空气包，则自活塞端部到吸入液罐一段长距离(L1＋L2)管段内的液体会突然被加速，产生阻碍液体流动的惯性水头很大，使泵缸内压力急剧下降，甚至会引起断流和汽化。

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而在泵吸入口装吸入空气包时，吸入开始阶段，空气包内的液体在气体压力的作用下，经过吸入支管进入液缸(图1-33a)，这时只有从活塞端面至空气包这一段短距离(L1)管子内的液体被突然加速，产生阻碍液体流动的惯性水头很小，保证液缸内压力不会下降过大。104向上文档

随着活塞继续运动，空气包仍向液缸供液。由于空气包内液体量不断减少，而从吸入液罐直接进入泵缸中的液体体积逐渐增多(图1-13b)。

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当吸入空气包内气体压力低于吸入液罐中液体压力时，空气包就停止向液缸供液。

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这时，由于活塞处于吸入冲程的后半段，作减速运动，惯性力推着液体向前运动，所以吸入液罐的液体很流畅地进入液缸，而多余的液体则进入空气包(图1-33c)

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吸入空气包内的液体量增多，压缩空气，压力升高，又回到刚开始吸入时的状态。在下一个吸入冲程开始时，空气包又重复上述过程。108向上文档

图1－14表明，对于同一台三缸单作用钻井泵，在其它条件相同时，安装吸入空气包，可以使吸入总管中的压力波动幅值降低8倍左右。

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排出空气包的作用原理和工作过程与吸入空气包类似。在排出过程开始阶段，活塞加速，泵排量增大，大于平均排量部分进入空气包，使排出总管中的液体不至于被加速。而到排出末尾，活塞减速，泵排量减小，空气包内液体自动补充到排出管中，使排出总管内液体流速平稳。从而减小了排出总管内的惯性水头，使排出总管内的压力波动幅值降低。

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钻井泵的排出管线很长，如果不装排出空气包，其中的惯性水头将是很大的，一台双缸双作用泵的实测压力曲线表明，不装空气包时，排出压力在5.2－11.7MPa范围内跳动。

而安装空气包后，排出压力则在9.0-10.2MPa范围内变化。被动幅值减小约82％。

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2.空气包的结构

早期采用的空气包是厚壁圆筒形，有的则是用套管制造的，工作前其充满常压空气。这种常压式空气包体积大，效果有限，且液体与气体直接接触，高压下易溶于液体而被带走。连续工作时，气体逐渐减小，甚至失