石油钻采设备及工艺-李振林-§6-2-往复泵的流量分析

§6-2往复泵的流量分析一、活塞运动规律二、往复泵的流量及流量曲线

返回一、活塞运动规律往复泵的基本工作理论及其主要特性参数（流量、压力）的计算，都是与活塞的运动规律密切相关的，因此首先要了解活塞的运动情况。曲柄连杆机构传动的往复泵，将曲柄的旋转运动变为活塞的往复运动。活塞的位移、速度、加速度公式：式中：r－曲柄长度；

l－连杆长度；

λ－曲柄连杆比，λ＝r/l

－曲柄转角，活塞由液力端向动力端运动时，

活塞由动力端向液力端运动时，为了便于记忆和定性地分析活塞的运动，不考虑曲柄连杆比λ的影响，即认为连杆无限长，λ＝0。此时，活塞的运动规律为：上式表明，曲柄－连杆传动往复泵活塞运动的速度和加速度分别近似地按正弦和余弦规律变化。上述公式中，正负号及的取值范围，按以下原则确定：当求活塞由液力端向动力端的位移、速度和加速度时，取公式上面的符号，曲柄转角在范围内取值；当求活塞由动力端向液力端运动的位移、速度和加速度时，取公式下面的符号，曲柄转角在 范围内取值；当 时，活塞处于死点位置。二、往复泵的流量及流量曲线

平均流量瞬时流量往复泵的流量曲线往复泵在单位时间内理论上应输送的液体体积，称作泵的理论平均流量，它与泵的活塞截面积F、活塞冲程长度S，以及活塞每分钟在缸套中往复的次数，即泵的冲次n有关。单作用泵，设缸数为i，其理论平均流量为：双作用往复泵，活塞往复一次，液缸的前、后工作室输送液体各一次，泵的理论平均流量为： 式中：f－活塞杆截面面积； （2F-f）S－活塞往复一次输送液体的体积；实际上，（1）往复泵工作时，由于吸入阀和排出阀一般不能及时关闭，泵阀、活塞和其它密封处可能有高压液体漏失；（2）泵缸中或液体内含有气体，降低吸入充满度等原因，都可能使泵的实际输送量有所降低，因而往复泵的实际平均流量要低于理论平均流量。实际平均流量为： 式中：－流量系数，一般为0.85~0.95范围内，对于大型的吸入条件较好的新泵，可取得大一些，可达0.97~0.99。平均流量由于往复泵的活塞运动速度是变化的，故每个液缸和泵的流量也是变量。

为此，必须引入瞬时流量的概念。假设，某单作用液缸的理论瞬时流量为：对单作用液缸，

吸入过程中吸入的瞬时理论流量为：

排出过程中排出的瞬时理论流量为： 式中的下标m表示液缸或曲柄的顺序编号1、2、3等， 当 时，活塞运动处于极限位置，流量都为零。瞬时流量对双作用泵，活塞将液缸分为前工作室和后工作室，若以Qcf和Qca分别表示液缸前后工作室的瞬时流量：当 时，前工作室吸入，后工作室排出，公式前取“＋”号；当 时，前工作室排出，后工作室吸入，公式前取“－”号；往复泵一般都由多个液缸组成，在曲轴转动一周期间内，几个液缸按一定的规律交替进行吸入或排出，整台泵的瞬时流量由同一时刻各缸瞬时流量叠加而成。计算整台泵的瞬时流量时，要根据各曲轴间存在角位差决定公式中的角参数，计算各液缸的瞬时流量时，须以相应的角参数代入公式：三缸单作用泵的角位差，则双缸双作用泵的角位差 ，则往复泵的流量曲线往复泵工作时，在曲柄旋转3600范围内，各液缸或工作室及泵的瞬时流量是按一定规律变化的。如果以曲柄转角为横坐标，流量为纵坐标，就可以作出图示泵的瞬时流量和平均流量随曲柄转角变化的曲线。这类曲线称为泵的流量曲线。通常，只需绘制吸入或排出过程的流量曲线。流量曲线除了比较形象地反映出整台泵与各液缸或工作室瞬时流量间的关系及其随曲柄转角变化特点外，在往复泵的理论分析和计算中还具有下列用途：判断流量的均匀程度：任何类型的往复泵，在曲轴转动一周的过程中，理论瞬时流量都是变化的，其最大值 、最小值 及理论平均流量 都可以由曲线找到。理论瞬时流量的最大差值与平均流量的比值，称作往复泵的流量不均匀度：图示为在不考虑曲柄－连杆比影响的情况下，单缸、双缸、三缸及四缸单作用泵的流量曲线，其流量不均度分别为3.14，1.57，0.141，0.314。如不考虑活塞杆断面面积f的影响，则单缸双作用泵与双缸单作用泵流量不均度相同，双缸双作用泵与四缸单作用泵的流量不均度也相同。当往复泵缸数增多时流量趋于均匀，而单数缸效果更为明显。从使用角度看，流量不均度越小越好。因为流量越均匀，管线中液流越接近稳定流状态，压力变化也越小，有助于减小管线振动，使泵工作平稳。但缸数太多，泵结构变得复杂，造价增高，维修困难。目前，钻井泵大多数是三缸单作用或双缸双作用往复泵。确定泵输送的液体体积在曲柄转角 的范围内，每个液缸或工作室的流量曲线与横坐标所包围的面积为A，而在同样的曲柄转角范围内，活塞位移由 ，泵所输送的液体体积为V，它与面积A之间存在下列关系：上式表明，在同样的转角范围内，泵或某个液缸所输送的液体体积与流量曲线所包围的面积成正比。