高性能、高可靠性潜油电泵轴向力推导计算

王雅然 李健忠 赵玉东 范宝乐 天津市百成油田采油设备制造有限公司

高性能、高可靠性潜油电泵轴向力推导计算

王雅然 李健忠 赵玉东 范宝乐 天津市百成油田采油设备制造有限公司

防砂的全压型潜油电泵产生。该型潜油电泵加工装配比较复杂，尤其是其轴向力计算比较复杂。通过离心泵设计的相关原理进行计算和推导，简化得到符合工程精度，便于计算的全压泵轴向力计算公式。

潜油电泵 全压泵 轴向力

1 引言

由于叶导轮加工和潜油泵装配精度的问题，往往潜油泵设计成浮动型，即叶轮在导壳内有一定的滑移空间，叶轮工作时受其各种及各方向的轴向力，经相互叠加后形成平衡状态，该平衡状态使得叶轮停留在上述滑移空间的任意位置，这一平衡是动态的平衡。当泵和井液参数变化时，其可以自动滑移到下一平衡的位置。因此全浮型潜油泵的各级叶轮自身平衡了做功所产生的轴向力，全浮泵所产生轴向力只是泵轴轴头端面的压力。

2 轴向力计算

根据泵相关理论，泵的轴向力由四部分组成：

（1）叶轮前后板不对称产生的轴向力F1，此力指向叶轮吸入口方向。

（2）动反力F2此力指向叶轮后面（即指向叶轮排出口方向）。

（3）叶轮重量引起轴向力F3（潜油泵立式使用所以此力指向叶轮吸入方向）。

（4）轴端压力引起的轴向力F4（潜油泵立式使用所以此力指向叶轮吸入口方向）。

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叶片数；Su2=1mm（叶片厚度）；

b2=9．71mm（叶轮出口宽度）；Z1=8（平衡孔数）；

Q=300m³/D；a=62°；d=3．81mm（平衡孔直径）；

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

B=0．34mm（密封间隙宽度）；L=8．86mm（密封间隙长度）；

2.1 盖板力F1的计算

此力为F1：

2.2 动反力F2的计算

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

2.3 叶轮重量引起轴向力F3的计算

根据已知计算得：

F3=mg=0．635*9．8=6．223(N)

2.4 轴端压力引起轴向力F4的计算

根据已知计算得：

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

2.5 叶轮均采用平衡孔和密封环方式平衡轴向力F5的计算

根据已知计算得：

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

2.6 离心泵轴向力一般估算方法F6的计算

F6=kρgHπ（Rm²-Rn²）

式中：

F6-----泵的总轴向力（N）；

H-----泵单级扬程（m）；

Rm-----叶轮密封环半径（m）；

Rn-----叶轮轮毂半径（m）；

k-----系数，当ns=30~100时，k=0．6；当ns=100~220时，k=0．7；当 ns=240~280 时，k=0．8；

根据已知计算得：

因为 ns=49．3987，所以 k 取 0．6。

F6=kρgHπ（Rm²-Rn²）=210．892（N）

2.7 轴向合力F计算与分析

根据上述各步骤计算结果可以计算得到带平衡孔结构的潜油泵的轴向力合力F为：

F=F1-F2+F3+F4-F5

这里以力指向叶轮吸入口方向为正方向。

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

即：

F=F1+F4-F5

根据计算发现F5是F1的85．71%，另根据离心泵相关资料，同时证明通过平衡孔可以平衡掉F1的88%-85%的轴向力所以我们为了安全考虑，在这里设F1-F5=15%F1，这样有平衡孔的叶轮轴向力合力，简化为：

F=0．15F6+F4（F=F6+F4，不带平衡孔）

3 结论

根据上述计算与证明我可以得到以下结论：

①如果叶轮带平衡孔其轴向力为F=0．15F6+F4单级叶轮；

②如果叶轮不带平衡孔其轴向力为F=F6+F4单级叶轮。

这里为了安全需要可以把F6简化为：

F6=ρgHπ（Rm²-Rn²）（可以以泵轴半径代替）

式中：ρ-----为液体密度kg/m³；

g-----为重力加速度 9．8m/s²（N/kg）；

H------为单级泵扬程m；

Rm-----为泵吸入口密封环半径m；

Rn-----为泵吸入口轮毂半径m；

[1]关醒凡，现代泵技术手册，宇航出版社,1998

[2]梅思杰，邵永实等，潜油电泵技术，石油工业出版社，2004

本文授天津市依托互联网技术实现油田人工举升设备的制造与服务项目支持，本文授天津市潜没电泵重点实验室支持。