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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。
【关键词】:单螺杆泵 数值模拟 结构优化 故障诊断 性能测试
【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
【目录】:
  • 摘要3-4
  • Abstract4-9
  • 第1章 绪论9-20
  • 1.1 论文研究背景及意义9-10
  • 1.2 国内外研究现状10-16
  • 1.2.1 单螺杆泵流场数值模拟10-12
  • 1.2.2 单螺杆泵结构参数优化12-13
  • 1.2.3 单螺杆泵故障诊断技术13-14
  • 1.2.4 单螺杆泵性能测试技术14-15
  • 1.2.5 当前研究存在主要问题15-16
  • 1.3 论文研究内容及技术路线16-19
  • 1.3.1 研究内容16
  • 1.3.2 技术路线16-19
  • 1.4 论文研究成果19-20
  • 第2章 单螺杆泵力学理论基础20-33
  • 2.1 单螺杆泵结构及工作原理20-21
  • 2.1.1 单螺杆泵结构组成20
  • 2.1.2 单螺杆泵工作原理20-21
  • 2.2 螺杆转子及定子型线理论21-24
  • 2.2.1 转子型线方程21-23
  • 2.2.2 定子型线方程23-24
  • 2.2.3 啮合线方程24
  • 2.3 单螺杆泵运动学特征24-29
  • 2.3.1 转子自转及公转24-26
  • 2.3.2 转子运动轨迹及速度26-27
  • 2.3.3 转子表面运动规律27-28
  • 2.3.4 定转子啮合位置速度28-29
  • 2.4 单螺杆泵动力学29-32
  • 2.4.1 转子受液压力分析29-31
  • 2.4.2 转子受液压转矩分析31-32
  • 2.5 本章小节32-33
  • 第3章 单螺杆泵流场数值模拟及性能分析33-62
  • 3.1 计算流体力学基础33-34
  • 3.2 单螺杆泵几何模型建立34-36
  • 3.2.1 转子几何模型建立34-35
  • 3.2.2 定子几何模型建立35-36
  • 3.2.3 定转子装配36
  • 3.3 单螺杆泵内部流体域抽取及网格划分36-37
  • 3.3.1 流体域抽取36-37
  • 3.3.2 流体域网格划分37
  • 3.4 单螺杆泵流场计算模型建立37-41
  • 3.5 网格无关性验证41-42
  • 3.6 运行参数对流场及性能影响42-59
  • 3.6.1 转速对流场及性能影响42-47
  • 3.6.2 单级增压值对流场及性能影响47-51
  • 3.6.3 输送介质粘度对流场及性能影响51-54
  • 3.6.4 输送介质含气率对流场及性能影响54-57
  • 3.6.5 运行参数对泵漏失影响57-59
  • 3.7 单螺杆泵运行工况优化调节59-60
  • 3.8 本章小节60-62
  • 第4章 单螺杆泵结构参数优化及改进62-85
  • 4.1 单螺杆泵结构参数最优配伍关系确定62-63
  • 4.2 单螺杆泵结构参数优化63-74
  • 4.2.1 偏心距对流场及性能影响63-68
  • 4.2.2 定子导程对流场及性能影响68-73
  • 4.2.3 结构参数比值优化73-74
  • 4.3 单螺杆泵结构参数改进74-84
  • 4.3.1 不同改进方案流场对比75-79
  • 4.3.2 不同改进方案性能对比79-83
  • 4.3.3 改进方案确定83-84
  • 4.4 本章小节84-85
  • 第5章 单螺杆泵故障诊断及性能测试装置设计85-112
  • 5.1 装置总体设计方案85-88
  • 5.1.1 装置功能要求85-86
  • 5.1.2 装置总体构架86-87
  • 5.1.3 监测参数选取87
  • 5.1.4 通信方式选取87-88
  • 5.2 远程终端设备硬件设计88-99
  • 5.2.1 无线传感器节点设计89-96
  • 5.2.2 远程控制阀门及调速单元设计96-97
  • 5.2.3 网关硬件设计97-98
  • 5.2.4 终端设备流程设计98-99
  • 5.3 单螺杆泵故障诊断及性能测试方法99-111
  • 5.3.1 单螺杆泵常见故障99-101
  • 5.3.2 单螺杆泵故障诊断方法101-107
  • 5.3.3 单螺杆泵性能测试方法107-111
  • 5.4 本章小节111-112
  • 第6章 结论与建议112-114
  • 6.1 结论112-113
  • 6.2 建议113-114
  • 致谢114-115
  • 参考文献115-119
  • 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果119

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