高性能、高可靠性潛油電泵軸向力推導計算

王雅然 李健忠 趙玉東 范寶樂 天津市百成油田采油設備制造有限公司

高性能、高可靠性潛油電泵軸向力推導計算

王雅然 李健忠 趙玉東 范寶樂 天津市百成油田采油設備制造有限公司

防砂的全壓型潛油電泵產生。該型潛油電泵加工裝配比較復雜，尤其是其軸向力計算比較復雜。通過離心泵設計的相關原理進行計算和推導，簡化得到符合工程精度，便于計算的全壓泵軸向力計算公式。

潛油電泵 全壓泵 軸向力

1 引言

由于葉導輪加工和潛油泵裝配精度的問題，往往潛油泵設計成浮動型，即葉輪在導殼內有一定的滑移空間，葉輪工作時受其各種及各方向的軸向力，經相互疊加后形成平衡狀態，該平衡狀態使得葉輪停留在上述滑移空間的任意位置，這一平衡是動態的平衡。當泵和井液參數變化時，其可以自動滑移到下一平衡的位置。因此全浮型潛油泵的各級葉輪自身平衡了做功所產生的軸向力，全浮泵所產生軸向力只是泵軸軸頭端面的壓力。

2 軸向力計算

根據泵相關理論，泵的軸向力由四部分組成：

（1）葉輪前后板不對稱產生的軸向力F1，此力指向葉輪吸入口方向。

（2）動反力F2此力指向葉輪后面（即指向葉輪排出口方向）。

（3）葉輪重量引起軸向力F3（潛油泵立式使用所以此力指向葉輪吸入方向）。

（4）軸端壓力引起的軸向力F4（潛油泵立式使用所以此力指向葉輪吸入口方向）。

已知：

Dm=67．28mm；Dn=33．48mm；n=2917r/min；G=0．635kg；

D2=108．2mm；DB=46mm；Dm2=82．6mm；Dj=58mm；

H=12．7m；Z=8葉片數；Su2=1mm（葉片厚度）；

b2=9．71mm（葉輪出口寬度）；Z1=8（平衡孔數）；

Q=300m3/D；a=62°；d=3．81mm（平衡孔直徑）；

ρ=1000kg/m3（水的密度）；g=9．8m/s2(N/kg)（重力加速度）；

B=0．34mm（密封間隙寬度）；L=8．86mm（密封間隙長度）；

2.1 蓋板力F1的計算

此力為F1：

2.2 動反力F2的計算

F2=ρQt(Vmo-Vm3cosa)，令Vm2=Vm3=3．49*（1．8251-0．50599645）=4．6037（N）

2.3 葉輪重量引起軸向力F3的計算

根據已知計算得：

F3=mg=0．635*9．8=6．223(N)

2.4 軸端壓力引起軸向力F4的計算

根據已知計算得：

F4=ρgh(Dn/2)2π=1000*9．8*12．7*3．14*0．05412=1143．81（N）

2.5 葉輪均采用平衡孔和密封環方式平衡軸向力F5的計算

根據已知計算得：

F5=（ξm/2g）(q/Fm)2ρgπ（Rm22-Rn2）=198．92（N）

2.6 離心泵軸向力一般估算方法F6的計算

F6=kρgHπ（Rm2-Rn2）

式中：

F6-----泵的總軸向力（N）；

H-----泵單級揚程（m）；

Rm-----葉輪密封環半徑（m）；

Rn-----葉輪輪轂半徑（m）；

k-----系數，當ns=30~100時，k=0．6；當ns=100~220時，k=0．7；當 ns=240~280 時，k=0．8；

根據已知計算得：

因為 ns=49．3987，所以 k 取 0．6。

F6=kρgHπ（Rm2-Rn2）=210．892（N）

2.7 軸向合力F計算與分析

根據上述各步驟計算結果可以計算得到帶平衡孔結構的潛油泵的軸向力合力F為：

F=F1-F2+F3+F4-F5

這里以力指向葉輪吸入口方向為正方向。

F=232．08+4．60+6．22+1143．81-198．92=1178．59（N）

即：

F=F1+F4-F5

根據計算發現F5是F1的85．71%，另根據離心泵相關資料，同時證明通過平衡孔可以平衡掉F1的88%-85%的軸向力所以我們為了安全考慮，在這里設F1-F5=15%F1，這樣有平衡孔的葉輪軸向力合力，簡化為：

F=0．15F6+F4（F=F6+F4，不帶平衡孔）

3 結論

根據上述計算與證明我可以得到以下結論：

①如果葉輪帶平衡孔其軸向力為F=0．15F6+F4單級葉輪；

②如果葉輪不帶平衡孔其軸向力為F=F6+F4單級葉輪。

這里為了安全需要可以把F6簡化為：

F6=ρgHπ（Rm2-Rn2）（可以以泵軸半徑代替）

式中：ρ-----為液體密度kg/m3；

g-----為重力加速度 9．8m/s2（N/kg）；

H------為單級泵揚程m；

Rm-----為泵吸入口密封環半徑m；

Rn-----為泵吸入口輪轂半徑m；

[1]關醒凡，現代泵技術手冊，宇航出版社,1998

[2]梅思杰，邵永實等，潛油電泵技術，石油工業出版社，2004

本文授天津市依托互聯網技術實現油田人工舉升設備的制造與服務項目支持，本文授天津市潛沒電泵重點實驗室支持。