单螺杆泵特性试验

​通过进行单螺杆泵特性参数随泵出口管线结构及吸入口管线结构变化的试验研究，绘出了泵的特性参数与出口压力、吸入口真空度的关系曲线。试验结果表明，改变泵出口管线结构，使泵出口压力在一定范围内工作时，流量变化大，而且泵效率较高，可以作为泵调整参数的一种手段；而改变泵吸入口管线结构不宜作为泵的调整参数手段。

单螺杆泵在油田钻井、采油及输油等方面正得到越来越广泛的应用。单螺杆泵工作时，经常遇到调节泵流量问题。对于这种体积式泵，其流量的调节方法常用的有两种。一是改变转子转速；二是改变排出管线或吸入管线结构(通常是改变排出口阀门或吸入口阀门的开启度)。现文主要讨论第2种方法。然而，管线结构的改变除了改变泵的压力、流量外，对泵的能耗、效率将产生多大程度的影响?改变泵出口阀门开启度与改变泵吸入口阀门开启度对泵特性的影响有何不同?针对这些问题，我们进行了以下2项室内试验。
a) 单螺杆泵流量、泵轴力矩、效率等参数随出口压力变化的特性试验。
b) 单螺杆泵流量、泵轴力矩、效率等参数随吸入口真空度变化的特性试验。
1 试验方法及试验结果
图1为单螺杆泵特性试验的试验台原理图。试验介质为清水、室温。试验用单螺杆泵结构参数如下：螺杆直径φ42mm，衬套导程241mm，螺杆偏心距7.1mm，额定扬程500mm。试验分两种情况，一是将吸入口阀门12全部开启，改变排出口阀门7的开启度，同时测试出口压力、流量、泵轴力矩、转速和吸入口真空度这些参数，测试数据如表1；二是将吸入口阀门12全部开启，然后关小排出口阀门7，待出口压力增至7.0MPa，排出口阀门7开启度固定不动，再逐渐关小吸入口阀门12，使吸入口真空度不断增加，同时测试泵出口压力、泵轴力矩、泵轴转速及排出流量这些参数，测试数据如表2。分别以泵出口压力和吸入口真空度为横坐标，以流量、轴功率、效率为纵坐标绘制泵特性曲线，如图2、图3所示。

1―电机；2―扭矩仪；3―轴承箱；4―三通；5―单螺杆泵；6―排出口压力表；7―排出阀门；
8―排出管线；9―计量罐；10―放水阀门；11―水箱；12―泵吸入阀门；13―吸入管线；14―吸入口真空表
图1 单螺杆泵试验台工作原理

表1 改变单螺杆泵出口压力的特性试验数据

表2 改变单螺杆泵吸入口真空度的特性试验数据

p―N曲线：出口压力与泵轴功率关系曲线
p―Q曲线：出口压力与实际流量关系曲线
p―η曲线：出口压力与泵效率关系曲线
图2 改变泵出口压力的特性试验

Hs―N曲线：真空度与泵轴功率关系曲线
Hs―Q曲线：真空度与实际流量关系曲线
Hs―η曲线：真空度与泵效率关系曲线
图3 改变泵吸入口真空度的特性试验

2 试验分析
a) 单螺杆泵理论流量、泵效率、体积效率和机械效率分别采用以下各式计算：
η=10³ΔpQ_p／（1．44M_a^．n），
Q_t=1440×4eDTn，
η_v=Q_p／Q_t，
η_m=10³Q_tΔp／（1．44M_a·n），
式中，Qt为泵理论流量，m3/d；η为泵效率；ηv为泵体积效率；ηm为泵机械效率；Qp为泵实际流量，m3/d；Δp为泵出口与吸入口压差，MPa；D为螺杆断面直径，m；T为衬套导程，m；Ma为泵轴力矩，N．m；n为泵轴转速，r．min－1；e为螺杆偏心距，m。
依据以上各式及表1、表2测试数据，计算泵在不同工况下的泵轴功率、有效功率、泵效率、体积效率及机械效率。其计算值亦列于表1、表2中。
b) 由表1、图2可以看出，随着泵出口压力的增加，泵的流量逐渐减小，泵效率变化呈抛物线形，有一最高效率点。泵体积效率呈递减趋势，机械效率呈递增趋势(如图4)，这说明随出口压力的增加，螺杆与衬套之间的间隙加大，螺杆在衬套内转动时的摩擦阻力矩减小，导致机械效率增加；同时，高压液体沿螺杆-衬套副密封线的窜流现象加剧，导致泵体积效率的降低。由表1数据还可以看出，出口压力在3.2～8.4MPa范围内变化时，效率最大差值为6.73%。参考离心泵的高效工作范围［1］，也可以认为该范围即属于螺杆泵高效工作范围。当然，具体的高效工作范围应视具体的泵而定。
c) 关小吸入口阀门相当于人为降低泵的充满度，这必将导致泵流量减小、泵吸入口真空度增加，这一点亦被试验所证实。由表2、图3和图5可以看出，随着泵吸入口真空度的增加，泵的流量、轴功率、效率、体积效率和机械效率均呈下降趋势。但当吸入口真空度在0.1～0.015MPa之间变化时，以上各参数均呈下降趋势，但下降幅度较小。这说明，一定范围内吸入口真空度的变化对泵特性影响较小；而一旦超出该范围，则各参数呈直线下降趋势，泵的工作状况大大恶化。因此，当泵吸入口真空度大于某一规定的值时，虽然泵的特性参数能得以大幅度提高，但由于泵机械效率、体积效率及总效率大大降低，因此应禁止泵在此工况下长期工作。

图4 出口压力与机械效率、体积效率的关系曲线

图5 真空度与机械效率、体积效率的关系曲线

3 结论
1) 无论改变泵出口管线结构还是改变泵吸入口管线结构，都会对单螺杆泵的特性产生一定程度的影响。
2) 改变泵排出口阀门开启度，在一定范围内达到改变泵特性参数的目的，而且泵具有较高的工作效率。
3) 改变单螺杆泵吸入口阀门开启度，当吸入口真空度较小时，泵特性参数变化不大，而当吸入口真空度较大时，泵的工作状况急剧恶化。因此，这种方法不宜作为单螺杆泵调整参数的手段。