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轴封不接触泥浆砂泵的设计和机理分析

作　者: 邓宝
导　师: 刘春全
学　校: 西南石油大学
专　业: 石油矿场机械
关键词: 新型离心泵轴封不接触泥浆旋涡理论 CFD
分类号: TE926
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

离心式砂泵是石油钻机钻井泵和泥浆净化系统的必配设备之一。现用离心式砂泵存在轴封寿命短、更换和维修困难、泥浆泄漏损失、污染环境等问题,目前尽管在离心式砂泵上已采用了背叶片、螺旋密封、反压式填料密封、机械密封、多种密封形式的组合应用、多种新型密封材料的组合应用等措施,在一定程度上解决了离心泵泄漏问题。但在解决此问题时所采用的技术路线仍是沿袭传统思维模式,即从选用耐磨材料、减轻轴封负荷方面去研究,难以从根本上解决问题。本文从隔断泥浆与轴封直接接触的反向思维入手,提出了一种全新结构的离心式砂泵——轴封不接触泥浆砂泵。根据流体力学原理,通过特殊的结构设计,使砂泵在工作过程中产生的“气阻”有效隔断泥浆与离心泵轴封的直接接触,从根本上解决了离心泵轴封泄漏以及轴封寿命短的问题,此外本设计还具有占地小、高效等优点。本文从理论分析和软件模拟两方面对该新型结构进行可行性论证。首先以两相流和流体力学为基础,分析得出在该泵气室内,由于泵轴的旋转所形成的旋涡低压区会形成“气阻”以隔断泥浆和轴封的直接接触;进而以流体动力学为基础,建立了气室内流场模型,并运用CFX软件分析得出流场的速度、流线和压力分布,进一步从理论上证明了“气阻”的可行性和可靠性。本研究对解决长期存在的砂泵轴封容易失效、泥浆泄漏的问题提供了新的思路,该原理对解决类似问题具有启发作用。本研究为开发新型离心式砂泵提供了理论和技术支持。本设计已获得国家实用新型专利(“轴封不接触泥浆的砂泵”,专利号:ZL200420105829X)

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-5
目录  5-7
第1章绪论  7-15
  1.1 概述  7-10
    1.1.1 离心泵的发展及应用  7
    1.1.2 离心泵的分类和结构型式  7-10
  1.2 国内外发展现状  10-13
  1.3 问题的提出  13
  1.4 本文的研究工作和内容  13-15
第2章新型离心泵设计原理研究  15-41
  2.1 新型离心泵的工作原理  15-16
  2.2 新型离心泵的理论基础  16-26
    2.2.1 离心泵的基本方程—欧拉方程  16-18
    2.2.2 流体在叶轮中的运动分析  18-20
    2.2.3 离心泵扬程H的分析  20-22
    2.2.4 离心泵的水力损失  22-25
    2.2.5 离心泵效率分析  25-26
  2.3 离心泵的水力设计  26-33
    2.3.1 离心泵水力设计概述  26
    2.3.2 离心泵叶轮的水力设计  26-28
    2.3.3 离心泵压水室的水力设计  28-32
    2.3.4 离心泵吸水室的水力设计  32-33
  2.4 “气阻”阻隔泥浆与轴封的机理研究  33-41
    2.4.1 旋涡运动概述  33-34
    2.4.2 旋转流体运动基本方程  34-35
    2.4.3 流体在泵内的强制涡运动  35-39
    2.4.4 流体涡运动的压力分布  39-41
第3章离心泵气室CFD分析的数学模型  41-57
  3.1 计算流体动力学(CFD)的基本理论  41-44
    3.1.1 计算流体动力学概述  41-42
    3.1.2 流体动力学控制方程  42-44
  3.2 紊流模型选择  44-47
    3.2.1 紊流模型  45-46
    3.2.2 紊流模型比较  46-47
    3.2.3 确定紊流模型  47
  3.3 控制方程  47-50
    3.3.1 基本控制方程  47-48
    3.3.2 雷诺时均方程  48-50
  3.4 控制方程的数值求解  50-57
    3.4.1 控制方程的离散  50-52
    3.4.2 控制方程的求解  52-57
第4章离心泵气室CFD分析  57-63
  4.1 建立气室内液体流动模型  57
  4.2 模型网格划分  57-58
  4.3 边界条件  58-59
  4.4 结果分析  59-63
第5章基于3NB-1300钻井泵的离心泵设计  63-71
  5.1 3NB-1300钻井泵的工作参数  63-66
    5.1.1 钻井泵的最大瞬时排量Q_(瞬max)  63-64
    5.1.2 泵内流体的最大流速  64
    5.1.3 钻井泵吸入压力P_吸  64-66
  5.2 离心泵工作参数设计  66-68
    5.2.1 理论扬程H  66
    5.2.2 设计流量Q_额  66
    5.2.3 转速n  66-67
    5.2.4 比转数  67
    5.2.5 装机功率N_f  67-68
  5.3 离心泵过流部件设计  68-69
    5.3.1 吸入和排出口径确定  68
    5.3.2 叶轮设计  68-69
  5.4 泵效率计算  69-71
第6章结论与建议  71-73
  6.1 结论  71
  6.2 建议  71-73
致谢  73-75
参考文献  75-77
附录A 攻读硕士研究生期间论文发表和科研项目  77-78
附图  78-82

轴封不接触泥浆砂泵的设计和机理分析

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