等壁厚螺杆泵密封性能有限元分析(2)

2.2、相邻密封腔室间压差对接触压力的影响

　　在相邻密封腔室压差的作用下, 螺杆泵定子型线的几何形状将发生变化。假设右侧腔室内压力Δp,左侧腔室内压力为0,则压差为Δp, 方向向左。在此压差的作用下, 橡胶衬套将向左侧挤压发生几何变形。几何变形的结果一方面使定子与转子的密封位置发生了变化,同时也会使实际过盈量发生变化。由于螺杆泵定子形状复杂, 因此对于定子橡胶几何变形后的形状以及变形的大小无法用理论公式计算, 只能采用有限元的方法计算。下面利用有限元方法计算密封腔室间压差对接触压力的影响, 分析压差对等壁厚螺杆泵的密封性能的影响。

　　建立螺杆泵有限元模型, 在左腔室施加p=0的内压力, 在右侧腔室施加0～1.2 MPa的内压力进行计算, 计算结果如图6所示。

图6　螺杆泵接触压力随压差的变化曲线

　　根据橡胶密封的失效准则可知,只有接触压力大于压差值才能密封。由图6可以看出, 随着密封腔室间压差的增加, 定子与转子间的接触压力也会增加。但接触压力的增加速度比压差的增加速度慢,因此必然存在一个最大密封压差, 当实际压差小于此压差时, 接触压力大于压差值, 处于密封状态; 当实际压差大于此压差时, 接触压力小于压差值, 处于泄漏状态。将最大密封压差所对应的接触压力称为临界接触压力,螺杆泵的单级密封的最大压力就等于临界接触压力。

2.3、临界接触压力曲线

　　螺杆泵橡胶衬套的变形实际是体积压缩变形和几何形状变形的综合, 也就是内压力与压差综合作用的结果。下面对螺杆泵施加不同的内压力和压差, 计算出不同内压力下的临界接触压力。计算结果如图7所示。从图中可以看出:

　　(1)等壁厚螺杆泵的临界接触压力与密封腔室内压力之间的变化规律与普通螺杆泵相同, 即随着密封腔室内压力的增加, 定子与转子间的临界接触压力将减小。

　　(2)与普通螺杆泵相比, 等壁厚螺杆泵临界接触压力曲线的斜率更小, 也就是在密封腔室内压力升高相同值时, 临界接触压力的减小量更小, 即内压力对等壁厚螺杆泵的影响更小。

　　(3)与普通螺杆泵相比, 等壁厚螺杆泵临界接触压力曲线在y轴的截距更大, 也就是在密封腔室内压力为零时, 临界接触压力更大。分析原因, 主要是由于等壁厚螺杆泵的定子衬套橡胶层较普通螺杆泵衬套橡胶层更薄, 在相同过盈量时, 橡胶层所产生的变形量基本相同, 但产生的应变却相差很大。橡胶层越薄, 应变越大, 相应的应力也会越大,接触压力也会越大。

　　(4)综合以上的分析可知, 等壁厚螺杆泵的临界接触压力曲线的初值更大, 斜率更小, 因此最后在x轴的截距就更大。说明等壁厚螺杆泵的最大举升压力要比普通螺杆泵大很多。

图7　螺杆泵临界接触压力随内压力的变化曲线

3、结论

　　(1)随着内压力的增加, 螺杆泵定子与转子间的接触压力相应减小, 等壁厚螺杆泵比普通螺杆泵接触压力更大, 而且减小速度更慢, 等壁厚螺杆泵密封性能更好。

　　(2)随着压差的增加, 螺杆泵定子与转子间的接触压力相应增加, 等壁厚螺杆泵比普通螺杆泵接触压力更大,增加速度接近。接触压力的增加速度小于压差的增加速度, 因此存在临界接触压力, 等壁厚螺杆泵比普通螺杆泵具有更大临界接触压力, 等壁厚螺杆泵密封性能更好。

　　(3)随着密封腔内压力的增加, 临界接触压力相应减小, 等壁厚螺杆泵比普通螺杆泵的临界接触压力大, 减小速度慢, 等壁厚螺杆泵密封性能更好。

　　(4)等壁厚螺杆泵与普通螺杆泵相比具有更好的密封性能, 可以在泵出口产生更大的压力,在运用螺杆泵进行机械采油时就可以应用到更深的油井中。