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《西南石油大学》 2016年
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单螺杆泵流场数值模拟及结构参数优化研究

董小桠  
【摘要】:单螺杆泵属容积式泵,其主要工作部件为螺杆转子和定子衬套,适用于黏稠、污浊及多相流体的抽汲。在石油工业中,单螺杆泵广泛用于地面集输增压设备和井下采油设备,其工作性能与运行工况、结构尺寸密切相关。开展单螺杆性能及结构参数优化研究,对保证单螺杆泵安全、高效运行具有重要意义。基于计算流体动力学研究方法,论文完成单螺杆泵流场及工作性能分析,主要研究工作及成果如下:(1)调研国内外单螺杆泵流场数值模拟、结构参数优化、故障诊断及性能测试等技术,总结前人在流场计算模型建立、结构优化目标设定、故障诊断及性能测试装置设计等方面所取得的研究成果及不足之处。(2)建立单螺杆泵三维流场数值计算模型,进行流体域抽取及结构化网格划分,采用K-Epsilon湍流模型、Simple压力速度耦合算法、二阶迎风数值差分格式及进出口压力边界条件。指定螺杆转子表面为运动边界,运动方式基于转子运动学理论确定,完成动网格模型构建,实现单螺杆泵三维流场瞬态分析。(3)对不同运行工况下单螺杆泵流场进行三维瞬态数值模拟,完成流场压力、速度及漏失位置分布规律研究,分析输送介质粘度、含气率、转速、单级增压值等参数对泵漏失量、排量、转子扭矩、轴功率、容积效率及总效率的影响,并给出单螺杆泵运行工况优化调节建议。(4)以单螺杆泵最优结构参数配伍关系为基础,在转子直径不变前提下,界定偏心距、定子导程变化范围。对不同结构的单螺杆泵流场压力、速度分布规律进行研究,分析偏心距、定子导程等参数对泵工作性能的影响。基于单螺杆泵流场及工作性能优化目标,确定偏心距与转子直径比值范围为0.125~0.2,定子导程与转子直径比值范围为3-4。(5)在保证理论排量变化较小前提下,提出4种单螺杆泵结构参数改进方案,通过改进前、各改进方案对应单螺杆泵流场及工作性能对比分析,优选出最优改进方案。(6)构建单螺杆泵三层BP人工神经网络故障诊断模型,选用Tan-Sigmoid作为隐含层传递函数、Log-Sigmoid作为输出层传递函数,采用基于非线性最小二乘法的Levenberg-Marquart算法对网络模型进行训练,实现泵严重漏失、温度过高、转子不对中、卡泵等故障诊断。(7)设计单螺杆泵故障诊断及性能测试装置,可实现单螺杆泵运行参数实时监测、故障诊断、维修策略决策、在线性能测试等。装置由终端设备和监控中心构成,数据通讯方式为ZigBee/GPRS无线网络。终端生产监测区和性能测试区可完成单螺杆泵运行参数采集、工作流程切换及运行工况调节,监控中心由故障诊断和性能测试等模块构成。
【学位授予单位】:西南石油大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TE933.3

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