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第一章往复泵1.1概述泵是一种输送液体的机械，它把原动机的机械能或其它能源传递给液体，借以增加液体能量。根据结构特征和作用不同，泵可分为三个基本类型。(1)容积式泵：依靠包容液体的密封工作空间容积周期性的变化，把能量周期性地传递给液体，使液体的压力增加到将液体强行排出。往复泵:螺杆泵。(2)叶轮式泵依靠旋转的叶轮对液体的动力作用，把能量连续地传递给液体，使液体的速度能（为主)和压力能的能量增加，随后通过压出室将大部分速度能转换为压力能。如离心泵，轴流泵和旋涡泵属于这一类。(3)其它类型泵如射流泵水锤泵等。往复泵是一种典型的容积泵。它包容液体的密封工作空间容积由于活塞(或柱塞)的往复运动而产生周期性变化，从而把活塞(或柱塞)运动的机械能转变成为液体的压能。它在石油矿场上应用非常广泛。它常常用于高压下输送高粘度、大密度和高含砂量的液体，而流量相对较小。在钻井过程中，需要携带出井底的岩屑和供给井底动力钻具的动力，这种用于向井底输送和循环钻井液的往复泵，被称为钻井泵或泥浆泵；为了加固井壁，向井底注入高压水泥的往复泵被称为固井泵或水泥泵；为了造成油层的人工裂缝，提高原油产量和采收率，用于向井内注入含有大量固体颗粒的液体或酸碱液体的往复泵，称为压裂泵；在采油过程中，用于在井内抽汲原油的往复泵，称为抽油泵；1.1.1往复泵的工作原理图1－1是卧式单缸单作用往复泵示意图。工作时，动力机通过皮带，传动轴，齿轮等传动部件带动主轴及固定于其上的曲柄旋转。当曲柄从水平位置自左向逆时针旋转时，活塞向右边亦即泵的动力端移动，液缸内形成一定的真空度，吸入池中的液体在液面压力Pa的作用下，推开吸入阀，进入液缸内，直到活塞移到右死点位置为止。这个过程，称作液缸的吸入过程。曲柄继续转动，活塞开始向左亦即泵的液力端移动，缸套内液体受到挤压，压力升高，吸入阀关闭，直到缸内压力升高到大于排出管线上的压力，排出阀被推开，液体经排出阀和排出管排出，直到活塞移到左死点为止。这一过程称作液缸的排出过程。1.1.2往复泵的分类按照结构特点，石油矿场用拄复泵大致可按以下四方面分类：1.按缸数分:有单缸泵、双缸泵、三缸泵、四缸泵等。2.按作用方式分:有单作用式和双作用式两种。曲柄连续旋转，每一周内活塞往复运动一次，单作用泵的液缸完成一次吸入和排出过程。在吸入和排出过程中，活塞移动的距离以s表示，称作活塞的行程长度：曲柄半径用r表示。活塞移动的距离和曲柄半径之间的关系为：S＝2r单作用式泵如图1－1所示，其活塞在液缸内往复一次，该液缸作一次吸入和一次排出。双作用式泵如图1－2所示，液缸被活塞分为两个工作室，无活塞杆的为前工作室，有活塞杆的为后工作室，每个室都有吸入和排出阀。双作用泵，活塞往复运动一次，其液缸完成吸入过程和排出过程各二次。3.按液缸的布置方案及其相互位置分：有卧式泵、立式泵、V形泵、星形泵等。4.按活塞式样分：有活塞泵(如图1－1)柱塞泵(图1—3)。通常以泵的上述主要特点来区分各种不同类型的泵，如单缸单作用立式柱塞泵、双缸双作用卧式活塞泵、三缸单作用柱塞泵等。1.1.3往复泵的基本参数反映泵基本工作性能的参数有：1.泵的排量：泵的排量是指单位时间内泵通过管道所输送的液体量。排量通常以单位时间内的体积表示，称作体积排量，代表符号为Q，单位为l/s或m3／s。2.泵的压力：泵的压力通常指泵排出口处液体的压力，代表符号为P，单位为MPa。3.泵的功率和效率:单位时间内动力机传到往复泵主轴上的能量，称为泵的输入功率。以Np表示。而单位时间内液体通过泵后所获得的能量称为泵的有效功率，或输出功率，以N表示。泵的功率单位一般为kw，现场也习惯用马力（HP)来表示。泵的总效率η泵：η泵＝N/Np4.泵速泵速是指单位时间内活塞或柱塞的往复次数，也称作泵的冲次，以n表示，单位为冲/min。1.2往复泵的排量1.2.1往复泵的平均排量：往复泵的排量与活塞面积F(m2)，活塞冲程S(m)以及冲程次数n(冲／min)有关。往复泵在单位时间内理论上应输送的液体体积，称作泵的理论平均排量Q理均。对于单缸单作用泵：Q理均＝Fsnm3/min(1－1)或Q理均＝Fsn/60m3/s对于多缸单作用泵：Q理均＝iFsnm3/min(1－2)或Q理均＝iFsn/60m3/s对于双作用往复泵，活塞往复一次，排出的液体体积：无杆腔：FS有杆腔：（F－f）S所以活塞往复一次排出的液体体积为无杆腔加有杆腔体积之和:FS＋（F－f）S＝(2F－f)S设泵的缸数为i，泵的转速为n转/分，则i缸双作用泵的理论平均排量：i2Ffsnm/min2Ffisnm/s13fmQQ3理均3理均2为：＝（－）（－）或：＝（－）60式中：活塞杆截面积实际上，往复泵工作时，由于吸入阀和排出阀不能及时开启或及时关闭；泵阀、活塞和其它密封处可能有高压液体漏失；泵缸中或液体中含有气体而降低吸入充满度等等，都可能使泵的实际排量降低。若泵的实际排量为Q，则有：Q/Q理均＝αQ＝αQ理均(1－4)式中：α－排量系数，一般泵的α在0.85－0.95范围内，对于吸入条件较好的大型泵，α可能大一些，有的可达0.97—0.99。1.2.2往复泵的排量曲线1.瞬时排量由于往复泵活塞速度是变化的，故每个液缸的排量也因之而变化。设活塞的截面积为F，活塞运动速度为u，则单缸泵在排出过程的理论瞬时排量为：Q瞬＝Fum3/s。图1－4为曲柄滑块机构传动的往复泵运动简图，它将泵主轴的等速旋转运动(角速度ω)转变为活塞的往复直线运动。为：r/L≤0.2,sinφ≤1，所以：（r/L）2×sin2φ很小，舍去。于是得：22sinLr1Lcos）－（＋rX22sin(Lcos）＋rrXLcosφ＋rX讨论：φ＝0cosφ＝1X≈r＋L（右死点）φ＝π/2cosφ＝0X≈L(∵r/L很小，L与X轴夹角很小，∴X≈L)φ＝πcosφ＝1X≈－r＋L＝L－r（左死点）φ＝2π/3cosφ＝0X≈Lφ＝2πcosφ＝1X≈r＋L（右死点）Lcosφ＋rX因为活塞冲程：S＝（r＋L）－X＝（r＋L）－（r×cosφ＋L）＝r－r*cosφ＝r（1－cosφ）即：S＝r（1－cosωt）故:u＝S’＝r*sinωt*ω＝r*ω*sinωta＝u’＝r*ω*cosωt*ω＝r*ω2*cosωt往复泵得瞬时排量：因为微体积ΔV＝F×ΔS式中：F－活塞面积；ΔS－微位移；故：（∵）所以：Q瞬＝F×u＝F×rωsinωt因为：所以：uFtVQFtS＝＝瞬0limtutS30602nn2SrFsnsin60sin30n2SF＝＝瞬Q所以单缸单作用泵的瞬时排量也是按近似正弦规律变化，有Fsnsin60sin30n2SF＝＝瞬Q对于多缸泵，其瞬时排量为每一液缸在同一瞬时输送的液体量之和。Fsnsin(2)60(F-f)snsin(01960QQ瞬瞬＝＝）（）对于单缸双作用泵，其瞬时排量为：2.往复泵的排量曲线往复泵工作时，各液缸（或工作室)及泵的瞬时排量按一定规律变化，如果以曲柄转角Φ为横坐标，排量为纵坐标，即可作出泵的瞬时排量和平均排量随曲柄转角变化的曲线，称之为泵的排量曲线。图1－5为单缸单作用往复泵的排量曲线。图1－6双缸双作用往复泵的排量曲线。图1－7三缸单作用往复泵的排量曲线。1.2.3往复泵的排量不均度任何类型的往复泵，在曲柄转动一周的过程中，其理论瞬时排量都是变化的，该排量的波动将引起吸入和排出管线上流量和压力的波动而使管线振动。在往复泵的运行中，人们希望泵的排量均匀，工作平稳。故引入排量不均度δφ，来衡量泵的排量变化不均匀程度：式中：Qmax和Qmin分别为泵的瞬时排量极大值和极小值。maxminQQ(110)Q理均－＝－显然对于不同类型的泵，其排量不均度是不一样的，它们皆可由排量曲线求得。对于单缸单作用泵：Fsnsin60sin30n2SF＝＝瞬QmaxminmaxminFsn26020FsnQ60Fsn0QQ60FsnQ60QQ理均理均当＝时＝当时＝而＝－－所以＝＝＝对于单缸双作用泵，其瞬时排量为：Fsnsin(2)60(F-f)snsin(01960QQ瞬瞬＝＝）（）单缸双作用泵：minFsnsinFsn60260Ffsn60FsnFsnF60FfsnFfsnFf60f0.150.3FFF1.7FfF0.15FFF1.85FfF0.3FQQQ瞬max瞬理均＝＝＝0（2－）＝＝＝＝（2－）（2－）（2－）一般＝（～）所以＝＝＝≈（2－）（2－）1.85＝＝＝≈（2－）（2－）1.7对于双缸双作用泵，二曲柄互成90°角，排量曲线图1－6所示。由于双缸双作用泵二曲柄互成90°，故瞬时排量取决于以下三角函数之和：22sinsin()sincos2sincoscossinsin1cossincoscossincos1cos则（）’＝－因为：＝－（）’＝－＝－－222222cos1coscos1coscos1cos2cos11cos2cos°=4令－－＝0得＝－＝－即＝＝12＝＝22所以＝45maxmaxmaxmaxQFnssinsin604423QFnssinsin604422QFns60222QFns60＝（＋（＋）＝（＋（）＝（＋）＝minminminQ0QFfnssin602QnsFf60FfFfQinsns6060理均出现在＝或＝处2＝（－）（）＝（－）（2－）2（2－）而＝＝2fFnsFns6060FfFns60Ff21)f2(2)FF－（1－）所以＝2（2－）（－＋＝双缸双作用钻井泵的f/F值一般在0.3－0.15范围内，δφ则在0.33～0.48之间。对于三缸单作用泵，曲柄互成2π/3，排量曲线如图1-7所示。maxmin512QQFns66360124333QQFnssin0.866Fns60360312QFns6010.866600.1413Fns60理均当＝，，时：＝＝5当＝，，，，时：3＝＝＝；由式（－），＝（－）所以：＝＝显然，三缸单作用泵与双缸双作用泵相比，三缸单作用泵排量更均匀，泵工作平稳。1.2.4往复泵的排量系数往复泵的实际工作过程与理论工作过程有一定的差异，而使泵实际排量小于理论排量，具体分析如下：1.吸入过程在排出终了和吸入开始的瞬间，排出阀由于滞后不能及时关闭，余隙容积(活塞在前死点位置时的工作腔容积)中的液体压力仍等于排出压力。因此，当活塞向右移动时，工作腔内的液体压力不可能骤降，而是逐渐下降，使排出阀关闭。泵内压力低于吸入管线压力时，吸入阀开启，液体才开始吸入，所以泵的实际吸入行程要比理想的短。此外，在吸入过程中存在着高压液体通过已关闭的排出阀密封面向工作腔的泄漏（对于双作用泵，还存在另一工作腔的高压液体通过活塞密封面向低压侧的泄漏)；外界空气通过密封不严密处进入工作腔；溶解在液体中的气体因压力降低而析出以及液体吸入时带进来的气体，这些都占据了一定的工作腔容积，使实际吸入的液体小于行程容积，造成容积损失。2.排出过程在排出开始瞬间，吸入阀由于滞后也不能及时关闭，以及液体在高压下的可压缩性(特别是工作腔内含有气体则更为明显)，使工作腔内的液体压力不可能骤增，而是逐渐升高，直至吸入阀关闭，腔内压力大于排出管线压力后，排出阀开启，液体才开始排出。实际排出行程也要比理论行程短，在排出过程中也存在高压液体通过吸入阀密封面以及活塞，填料箱等密封处向低压侧的泄漏，使实际排出的液体量小于行程容积。综上所述，导致实际排量小于理论排量的主要原因是：吸入和排出过程开始阶段的冲程损失，压缩液体和气体等引起的冲程损失和各密封处的漏失损失。即一方面由于实际进泵液体小于理论排量，另一方面由于进