高压注水泵

1绪论Ll研究的目的和意义油田注水系统是油田能耗大户，也是油田投资的主要领域之一，因此开发高效注水设备，提高现有注水系统运行效率，对于降低油田生产成本具有重要意义。

早期注水是提高油田采收率的有效办法，通过人工注水可以提高地层压力，使油层具有强有力的驱油条件，保持较高的油层压力，有效克服各种阻力，达到长期稳产高产，而高压注水泵在注水工艺中起着重要的作用。

由于我国不少油田为低渗透油藏，对高压注水泵的需求越来越多，因而近几年往复式注水泵得到了迅速发展l3]。

但由于现有注水泵普遍存在易损件寿命短、正常运行时率低的问题，以胜利油田为例，增压注水泵的正常运行时率仅为54.3%。

且注水泵输出压力不能满足高压注水的需要，不少油田要求注水压力大于45MPa，而目前广泛使用的往复式注水泵的注水压均小于4oMPa。

因此，油田迫切需要寿命长、注水压力高的新型注水泵。

柱塞泵在石油矿场主要作为压裂泵、固井水泥泵和注水泵。

它们之间只有压力和流量等性能参数的不同，结构和工作原理并无实质性区别。

将压裂液送入油井申，并借助高压在油层中造成裂缝，或使原油层裂缝扩大的柱塞泵，称作压裂泵。

将水泥浆注入油井，使套管与井壁牢固连接的柱塞泵，称为水泥泵。

向井内输送高压水，进入油层驱油和补充地层能量的柱塞泵，称为注水泵。

1.2国内外发展概况注水是油田增产普遍采用的措施之一。

油田开发后期大部分采用油层注水，以保持油层压力，从而提高原油产量。

随着钻井深度的增加，注水油层也不断加深。

近几年来国内各大油田的部分注水单井或区块高压欠注问题日趋突出，促使人们逐渐认识到发展增压注水工艺的必要性。

因此，增压注水泵的发展也十分迅速，到目前为止，增压注水泵己初步形成离心式、往复式两大类。

目前国内各油田大小不一，油藏类型多样，其配套的注水系统也各不响注水泵寿命的因素主要有水质、材质及加工装配质量。

针对某些油田注入水质的腐蚀、结垢现象，通过改善水质和泵前加防垢器;泵过流零部件全部采用防腐材料，并提高加工装配质量，可以提高注水泵的运行寿命。

(3)注水泵选型问题各油田油藏类型多样，断块油田注水系统注水量较小，少数油田区块(注水压力为16MPa)若选用高效率的柱塞泵，装泵台数少不能满足水量要求;若选用离心泵(80一100m³/h)，则泵效仅61%一70%，达不到泵效大于75%的标准要求。

2柱塞泵2.1柱塞泵的分类柱塞泵按柱塞的排列和运动方向不同，可分为径向柱塞泵和轴向柱塞泵两大类。

1）径向柱塞泵：柱塞中心线与缸体中心线垂直。

配流轴式径向柱塞泵阀配流径向柱塞泵2）轴向柱塞泵：柱塞中心线与缸体中心线平行。

斜盘式（直轴式）轴向柱塞泵：缸体轴线和传动轴轴线一致。

斜轴式无铰轴向柱塞泵：缸体轴线和传动轴轴线存在一摆角β。

2.2、配流轴式径向柱塞泵工作原理传动轴通过离合器与缸体连接；缸体2均布有五个柱塞孔，柱塞底部空间为密闭工作腔；柱塞1头部的滑履与定子内圆接触；定子4与缸体2存在偏心；配流轴5配流。

图示旋转方向，b 为吸油窗口；c 为压油窗口。

1、配流轴式径向柱塞泵排量公式式中：e ——定子与缸体之间的偏心距z ——柱塞数2、配流轴式径向柱塞泵结构特点1）配流轴配流，配流轴上与吸、压油窗口对应的方向开有平衡油槽，使液压径向力得到平衡，容积效率较高。

2）柱塞头部装有滑履，滑履与定子内圆为面接触，接触面比压很小。

3）可以实现多泵同轴串联，液压装置结构紧凑。

4）改变定子相对缸体的偏心距e 可以改变排量，且变量方式多样。

2.3、斜盘式轴向柱塞泵工作原理缸体上均布Z 个柱塞孔，其分布圆直径为D ，柱塞直径为d ；斜盘相对于传动轴的倾角为α。

泵：图示旋转方向，A 为吸油窗口；B 为压油窗口。

1、斜盘式轴向柱塞泵的几何排量公式ezd ze d V 22422ππ=⋅⋅=γππtan 44q 2max 2ZD d ZS d B ==式中 d —直径； Z —柱塞数； D —分布圆直径； γ—倾角。

改变斜盘倾角γ可以改变泵的排量。

γmax 一般小于180～200 。

实际上,由于柱塞在缸体孔中运动的速度不是恒速的，因而输出流量是有脉动的，泵的瞬时理论流量是正弦函数：式中：ω——缸体旋转角速度； θ——缸体转角；m ——位于排油过程的柱塞数 流量脉动系数δ当柱塞数z 为偶数时：当柱塞数z 为奇数时： 结论：通过如上分析可知，当Z 为偶数是时，流量脉动周期角△θ=α，脉动周期∑=+=mi sh zmDd q 122sin tan 24）（πθαωπ%100δminmax ⨯-=avgq q q %1002tan δ,2z m ⨯==zz ππ%1004tan 2δ,21z m ⨯=±=zz ππT=α/ω，脉动频率z)nZ/60/1f H T Q （==;当Z 为奇数时，流量脉动周期角△θ=α/2，脉动周期T=α/2ω，脉动频率z)nZ/30/1f H T Q （==。

综上所述，当Z 为奇数时，流量脉动系数δ较小，而脉动频率较高，即流量品质较好。

这就是斜盘泵的柱塞数通常采用奇数的原因。

但近年来理论和实验研究均表明奇数柱塞泵、偶数柱塞泵的流量脉动周期角△θ均为Z /2π，并且流量脉动并没有明显差异。

2.4、斜盘式轴向柱塞泵的结构特点1）主体部分：①定心弹簧：保证缸体与配流盘，滑履与斜盘紧密接触，端面间隙自动补偿，提高了容积效率，额定压力可达31.5MPa 。

②传动轴是悬臂梁，缸体外有大轴承支承。

避免了缸体和配流盘之间的偏磨现象③柱塞、滑履中间的小孔，把压力油引入滑履底部，形成了静压油膜，减小滑履、斜盘间的磨损。

另外泵体上有泄漏油口；在配流盘的配流窗口前端开有减振槽或减振孔。

图示2.4—11——手轮；2——斜盘；3——回程盘；4——滑靴；5——柱塞；6——缸体；7——配流盘；8——输入轴。

2）变量机构直轴泵的变量调节机构用以调节斜盘倾角，以改变几何排量和流量。

①手动变量机构手动变量机构如图2.4—1右部所示，变量机构装在泵体外泵体上，并靠止口与泵体连接。

由于斜盘受力很大，故手动变量机构不能在工作过程中调节排量，只能在停车时调节，CY 型轴向柱塞泵只能单向转动，斜盘倾角的调节范围为max min ~γγ。

②手动伺服变量机构在手动伺服变量机构中，人工拉动伺服阀芯上下移动只需客服很小的摩擦力，二差动变了活塞课产生很大的推力，是斜盘摆动，以达到变量的目的，故操作力很小，并且控制方便，这种变量泵机构是一个人工控制的位移伺服机构，斜盘倾角γ完全可以跟踪伺服阀芯的位移，故称手动伺服变量机构。

③恒功率变量机构图2.4—2恒功率变量机构结构原理图1——调节螺钉；2——调节套；3——弹簧套；4——外弹簧；5——导杆；6——伺服阀芯；7——变量缸体；8——差动变量活塞。

泵的压力与流量的乘积近似等于常数，即泵的输出功率近似拟为恒定。

这种泵可以是液压执行机构在空行程时获得最大流量，使空行程速度加快而在工作行程时，由于压力升高，泵的输出流量减少，使工作行程速度减慢，这正符合许多液压设备动作要求，如液压压力机、工程机械等，这样能够充分发挥设备的能力，是功率利用合理。

三、斜轴式轴向柱塞泵3.1、工作原理与斜盘式轴向柱塞泵类似，只是缸体轴线与传动轴之间存在一个摆角β。

柱塞与传动轴之间通过连杆连接。

传动轴旋转通过连杆拨动缸体旋转，强制带动柱塞在缸体孔内作往复运动。

图 A2F型斜轴式泵1—主轴；2—轴承组；3—连杆柱塞副；4—缸体；5—壳体；6—配流盘；7—后盖；8—蝶形弹簧；9—中心轴2、特点柱塞受力状态较斜盘式好，不仅可增大摆角来增大流量，且耐冲击、寿命长。

3.2、柱塞泵的应用由于轴向柱塞泵的密封容积是利用圆柱表面形成的：1、圆柱加工方便，配合精度高，容积效率为95％左右，总效率为90％左右；2、只需改变柱塞的工作行程就能改变流量，易于实现变量。

3、主要零件均受压应力，材料强度性能可得以充分利用。

轴向柱塞泵被广泛用于高压、大流量、大功率的系统中和流量需要调节的场合，如龙门刨床、拉床、液压机、工程机械、矿山冶金机械、船舶等得到广泛的应用。

五、泵的方案确定及参数设计压力范围/Mpa≤40排量范围/（ml/r）0.2~560转速范围/（r/min）600~6000容积效率/（%）88~93总效率/（%）81~88流量脉动中等功率质量比/（kw/kg）大噪声大对油液污染敏感性敏感流量调节能自吸能力差价格高应用范围工程机械六、典型零件的力学分析 6.1柱塞和滑靴柱塞—滑靴组件如图6.1—1所示，泵的工作压力p 经柱塞上的节流孔0d 流入滑靴的凹形腔室，压力降为u p ，滑靴与斜盘之间的液压支承力N F 可根据圆环形压力放射流原理计算出，即()()u 2221u 212221p 2p /ln 2)(R RR R R R F N +≈-=ππ 式中 1R ——滑靴支承面外径； 2R ——滑靴油腔凹槽内径；u p ——滑靴油腔凹槽腔液压力，0u p p ≈图示6.1—1 柱塞—滑靴组件柱塞上液压力4/p d 2π=F ，则F 沿滑靴轴线方向作用在滑靴上的力n Fγπγcos 4p d cos 2n ==F F式中 d ——柱塞直径； P ——泵工作压力； γ——斜盘倾角。

对于平衡式滑靴N F F =n .通常情况下n F 略大于N F ，即产生剩余压紧力，以使滑靴压在斜盘上，同时使滑靴和斜盘之间产生一定厚度的油膜，以防干摩擦。

6.2曲轴、连杆、柱塞静力学模型分析 单个曲柄、连杆、柱塞的力学模型:为了简化模型，在这里我们暂时不考虑摩擦力和各构件的质量的影响， 以方便对模型的计算，这样，我们就得到了单个曲柄、连杆、柱塞的力学 模型:①对于曲柄:图4.4曲柄的受力分析其中；M ——曲柄上所施加的力矩，N.m; F ——曲柄顶端所受到的合力，N ； r ——曲柄长度（冲程的一半），m ； 1F ——曲柄顶端所受到的轴向分力，N ； 2F ——曲柄顶端所受到的径向分力，N 。

②对于连杆：图4.5连杆的受力分析其中：F ——连杆上所受到的合力。

连杆两端所受到的力为大小相等，方向相反的一对作用与反作用力，大小相等，所以用同一符号表示。

③对于滑块:图4.6滑块的受力分析其中，Pc —柱塞在吸入和排除时受到的压力和拉力，N; N ——柱塞在运动过程中受到运动轨道壁的压力，N ； F ——柱塞在运动过程中受到连杆对它的驱动力，N 。

④对于柱塞杆：图4.7柱塞杆受力 受力计算:由技术条件知:出口压力为44MPa ，进口压力为0.03MPa ，直径为35~。

(l)柱塞、连杆受力计算: 吸入液体时：s p c ⨯=P排出液体时：s p c ⨯=P 对柱塞有：F=c P 对连杆有：βcos /c P F = 滑块对滑道的压力：βsin •=F N连杆作用力F 与滑块对滑道的压力N 的计算与连杆与水平线形成的角度日有关，而p 的可以通过曲柄转动角度中、连杆长度L 与曲柄半径来求， 因此N 、F 是随曲柄转动角度改变而改变的变量。