石油钻采设备及工艺7

3、分段式多级离心泵
在油田注水和远距离输油作业 中，需要提供较大的压力，因 此，通常采用分段式多级离心 泵。 中压分段式多级离心泵的流量 在5～720m3/h，扬程为100～ 650m液柱；高压分段式多级离 心泵的扬程可达2800m。 分段式多级离心泵，将若干级叶轮安装在一根轴上，串连工作。 每级叶轮后均有导叶将液体引入下一级叶轮；泵体的两侧有吸入盖（前段） 和排出盖（后段），中间为中段，用双头螺栓穿过吸入盖和排出盖的凸台， 将各部分连成一体。
正导叶（A-B段）内螺旋线部分用于保证液体作自由等速运动， 扩散部分（B-C段）则用于将大部分动能转换成压能， 过渡区（C-D段）用于变换液流方向， 反导叶（D-E段）的作用是消除速度环量，把液体均匀地引向下一级叶 轮 实际上，导叶相当于安排在叶轮周围的几个蜗室，兼具吸入室和压出室 的作用，也可以将蜗室看作只有一个叶片的导叶。 有些离心泵中采用流道式导叶，目的是减小径向尺寸。
叶轮中的叶片有圆柱形（单向弯曲）和扭曲形（双向弯曲）之分。 闭式叶轮的平面投影如图所示 叶轮流道面积要求变化均匀，流道中心是内切圆心的连线。
2、泵轴
泵轴是传递功率和力矩的主要零件。 悬臂泵的叶轮安装在泵轴的一端，另一端安装支承；轴是传递机械能的 重要零件,• 原动机的扭矩通过它传给叶轮。泵轴是泵转子的主要零件， 轴上装有叶轮、轴套、平衡盘等零件。泵轴靠两端轴承支承，在泵中作 高速回转，因而泵轴要承载能力大、耐磨、耐腐蚀。泵轴的材料一般选 用碳素钢或合金钢并经调质处理。
4、多级蜗壳离心泵
采用螺旋形压出室的泵俗称 蜗壳泵。几个蜗壳泵安装在 一根轴上，串连工作，就成 为蜗壳式多级泵。 蜗壳式多级泵，一般采用半 螺旋形吸入室，每个叶轮均 有相应的螺旋排出室，泵体 水平中剖，吸入口和排出口 都铸在泵体上。 修泵时，只要把上泵体（泵 盖）取下，即可取出整个转 子。 体积大，铸造和加工技术要求高； 一般用于流量较大、扬程较高的城市给水、矿山排水和管道输油等场合。
由于液体不断被排出，在泵壳内叶 轮中心和吸入管内形成真空，吸入池 中的液体在大气压或液罐内压力的作 用下，源源不断地流进吸入管或叶轮；
蜗壳则收集从叶轮中高速流出并具有一定压力的液体，并引向扩散管和排 出管； 扩散管的过流面积是逐渐增大的，起着降低流速和进一步增加液体压力的 作用，从而使泵形成连续的吸入和排出过程，不断地排出高能量的液体。
7、导叶
分段式多级离心泵都安装有导叶，其作用是收集由叶轮流 出的高速液流，将一部分液动能转换成液压能，并引导 液流均匀地进入下一个叶轮或压出室。 分段式多级离心泵多采用如图所示的径向导叶，由正导叶、 环形导叶过渡区和反导叶组成。
导轮是一个固定不动的圆盘，正面有包在叶轮外 缘的正向导叶，这些导叶构成了一条条扩散形流 道，背面有将液体引向下一级叶轮人口的反向导 叶，其结构如图所示。液体从叶轮甩出后，平缓 地进入导轮，沿着正向导叶继续向外流动，速度 逐渐降低，动能大部分转变为静压能。液体经导 轮背面的反向导叶被引入下一级叶轮导轮上的导 叶数一般为4—8片，导叶的入口角一般为8°一 16°，叶轮与导叶间的径向单侧间隙约为lmm。 若间隙过大，效率会降低；间隙过小，则会引起 振动和噪声。与蜗壳相比，采用导轮的分段式多 级离心泵的泵壳容易制造，转能的效率也较高。 但安装检修较蜗壳困难。另外，当工况偏离设计 工况时，液体流出叶轮时的运动轨迹与导叶形状 不一致，使其产生较大的冲击损失。由于导轮的 几何形状较为复杂，所以一般用铸铁铸造而成。
中小型多级泵一般采用光轴，叶轮滑配在轴上，用短键传力； 大型多级泵有的采用阶梯轴，叶轮用热套法安装在轴上。 泵轴与叶轮等组装在一起后，用锁紧螺母固定，成为高速旋转的转子， 在泵总装前要进行小装（即部件装配），检查转子各部位的径向跳动。 如果跳动过大，泵在运行中容易产生振动和偏磨，应消除。 对于分段式多级泵，需要对转子部件作小装检查； 对于悬臂泵，需要对托架部件作小装检查。
四、离心泵的主要零部件
离心泵的主要零部件由叶轮、泵轴、导叶及泵室（吸入室、 压出室）组成。
1、叶轮
离心泵的叶轮是使液体获得能 量的主要部件。其形式有闭式、 半开式和开式三种。叶轮通常 为铸造件。 开式叶轮在叶片两侧无盖板， 制造简单、清洗方便，适用于 输送含有较大量悬浮物的物料， 效率较低，输送的液体压力不 高；半闭式叶轮在吸入口一侧 无盖板，而在另一侧有盖板， 适用于输送易沉淀或含有颗粒 的物料，效率也较低；闭式叶 轮在叶轮在叶片两侧有前后盖 板，效率高，适用于输送不含 杂质的清洁液体。一般的离心 泵叶轮多为此类。
§7-2
离心泵的理论基础
一、液体在叶轮中的运动分析
二、离心泵的能量方程式
三、离心泵的特性曲线 四、离心泵的比转数
一、液体在叶轮中的运动分析
离心泵工作时，液体在叶轮中作复合运动： 一方面，在叶轮的驱动下，随叶轮作圆周运动，圆周速度计为u，同一 半径R上的圆周速度值为u＝ωR，ω为叶轮旋转角速度； 另一方面，液体由叶轮进口流向出口，沿着叶片作相对运动，相对速度 计为w。 因此，液流相对于泵的壳体的绝对速度c是上述两种速度的合成， 即c＝u＋w，可通过矢量合成的速度三角形求出。 下标“0”表示叶轮 进口前的速度； “1”表示叶轮进口 处的速度；“2”表 示叶轮出口处的速 度。
按泵体的形式分，可分为： 蜗壳泵：叶轮排出一侧具有蜗形室的壳体； 透平泵：带导叶的多级泵。 按壳体剖分方式分，可分为： 分段式泵：泵的壳体按照与泵轴垂直的平面剖分； 中剖式泵：壳体在通过轴心线的平面上分开。 离心泵还可以按照其用途、叶片安装方式、压力大小及比 转数的大小等进行分类。
三、离心泵的整体结构
5、吸入室
吸入室的作用是将吸入管中的液 体均匀地吸入叶轮，力求流动损 失最少。吸入室有三种：锥形吸 入室、环形吸入室和螺旋形吸入 室。 锥形吸入室：其末端圆滑地过渡 到叶轮入口直径处，锥度70～ 180。它能在叶轮入口前造成不 大的液流加速度，使叶轮前流速 均匀，流动损失很小。小型单吸 单级悬臂式离心泵多采用此种结 构。
石油钻采设备及工艺概论 7
朱宏武
第一章
钻井工艺基本知识
第三章 起升设备 第四章 地面旋转送进设备 第五章 钻机的驱动与传动 第六章 石油矿场用往复泵 第七章 油田用离心泵 第八章 石油矿场用压缩机 第九章 采油工程基本知识 第十章 机械采油及设备 第十一章 钻采工具及仪表 第十二章 海洋石油钻采设备
§7-1
离心泵的基本知识
一、离心泵的工作原理
二、离心泵的类型
三、离心泵的整体结构
四、离心泵的主要零部件
一、离心泵的工作原理
组成 离心泵 由叶轮、泵轴、、蜗壳等组成。 叶轮与泵轴固装在一起，其上带有若干个叶片（6～12）。
当动力机通过联轴器和泵轴带动叶 轮旋转时，叶片就带动叶片间流道中 的液体作圆周运动； 在离心力的作用下，液体以较大的 速度和较高的压力，沿着叶片形成的 流道，自中心向外缘运动，并通过蜗 壳和扩散管流向排出管；
启动泵之前要关闭排出阀 门，启动后再打开。
二、离心泵的类型
按泵轴布置方式分，主要有：
① 卧式泵：泵轴为水平布置；
② 立式泵：泵轴为垂直布置。
按吸入方式 分，主要有： ① 单吸泵：叶 轮从一个方 向吸入液体； ② 双吸泵：叶 轮从两个方 向吸入液体。
按叶轮级数分，可分为： 单级泵：泵轮上只安装一个叶轮； 多级泵：泵轴上安装两个或两个 以上的叶轮。
环形吸入室：其吸入 流道过流面积逐渐缩 小，圆环液流速度略 小于叶轮入口速度， 以保证液流进入叶轮 时有一个不大的加速 度。这种吸入室的结 构简单，轴线尺寸短， 但液体进入叶轮时有 冲击和漩流损失，常 用在单吸分段式多级 离心泵中。
螺旋形吸入室：如图所示，其优点是液体进入叶轮时流动 情况较好，速度比较均匀，但液体进入叶轮前有预旋，对 比转数较大的泵，扬程损失比较明显。双吸单级泵和水平 中剖式多级泵，一般采用此种结构。
第七章
§7-2 §7-3
§7-4 §7-5
离心泵的理论基础 离心泵轴向力的平衡及密封装置
离心泵的装置特性与工况调节 离心泵的选择
本章主要介绍离心泵的结构类型、工作 原理与工作特性，重点了解离心泵的轴向力 平衡、流量、压力、功率、效率及其工作特 性。
离心泵是最典型的叶片式机械，在石油矿场上应用广泛， 主要用于输送原油、向井底注水、油井采油，以及作为往 复泵的灌注泵和生活供水泵等。 离心泵的工作原理和结构与往复泵完全不同： 往复泵主要通过改变工作腔的容积，将机械能主要转变为 液体的压力能； 而离心泵则主要靠改变工作腔内液体的运动速度，将机械 能转变为液体的动能和压能。
3、轴套
轴套的作用是保护泵轴，使填料与泵轴的摩擦转变为填料 与轴套的摩擦，所以轴套是离心泵的易磨损件。轴套表面 一般也可以进行渗碳、渗氮、镀铬、喷涂等处理方法，表 面粗糙造度要求一般要达到Ra3.2μm—Ra0.8μm。可以降 低摩擦系数，提高使用寿命。
4、轴承
轴承起支承转子重 量和承受力的作用。 离心泵上多使用滚 动轴承，其外圈与 轴承座孔采用基轴 制，内圈与转轴采 用基孔制，配合类 别国家标准有推荐 值，可按具体情况 选用。轴承一般用 润滑脂和润滑油润 滑。
1、单吸单级卧式离心泵
单吸单级卧式离心泵，在石油矿 场上主要用于供水或作为砂泵、 灌注泵等，应用广泛。 流量大多在5.5～300m3/h，扬程 在8～150m液柱范围以内。 泵轴的一端在托架内用轴承支承， 另一端悬出，称作悬臂端。
悬臂上安装有一级叶轮；在叶轮和轴承之间有密封装置，将液力部分 与轴承部分隔绝；轴承采用黄油或机油润滑。 该泵具有后开门式结构。检修时，将托架止口以上的螺母松开，就可 以将托架和叶轮全部取出，而不必拆卸吸入和排出管。
6、压出室
压出室的作用是以最小的损失将从叶轮中流出的高速液体 收集起来，引向出口，同时将一部分液体的动能转变为压 能。有两种形式： 环形压出室：流道各处有相等的横断面积，主要用于分段 式多级离心泵的排出段（后段），或输送杂质的泵（如砂 泵、泥浆泵、灰渣泵、注水泵等）。焊接结构的泵体通常 采用环形压出室，以简化工艺。 由于各处断面积相等，环形室中的流速并不相等，故存在 冲击损失，使泵的效率降低。
2、双吸单级卧式离心泵
双吸泵在油田广泛用于输油和输水， 其特点是能够自动平衡轴向力，流 量较大，一般在120～20000m3/h， 扬程较低，为10～110m液柱。 双吸单级离心泵，其叶轮相当于两 个相同的叶轮背对背地安装在一根 轴上并联工作。 一般采用半螺旋形吸入室，泵壳水 平中剖。 吸入腔可能具有极高的真空度；除了采用填料密封外，还用管路从高压腔向 填料密封装置引水，形成水封。 叶轮进口外缘上的密封环，防止高压液体进入低压室。 轴承安装在泵的两端，小泵多用滚动轴承，大泵多用滑动轴承，打开泵盖即 可取出转子。 吸入管与吸入腔相连，将液体从两侧引向导轮，由叶轮抛出的液体再经过蜗 形排出室进入排出管。
必须将离心泵与吸入管汇 和排出管汇组成如图所示 的泵装置，才能正常工作。 吸入管的下部安装有滤网 和底阀，对液体起过滤作 用，并防止管中液体倒流 进吸入池。
排出口处安装有阀门，用 于调节流量。蜗壳的顶部 安装有漏斗，启动泵之前 用于向泵内灌水排除泵腔 内的气体，或由专用的真 空泵抽吸泵腔内的气体。
螺旋形压出室（蜗壳）：一般用于单级双吸泵或水平中剖式多级泵中。 主要优点是：蜗壳的优点是制造方便，高效区宽，车削叶轮后泵的效率 变化较小。缺点是蜗壳形状不对称，在使用单蜗壳时作用在转子径向的 压力不均匀，易使轴弯曲，所以在多级泵中只是首段和尾段采用蜗壳而 在中段采用导轮装置。 蜗壳的材质一般为铸铁。防腐泵的蜗壳为不锈 钢或其他防腐材料，例如塑料玻璃钢等。多级泵由于压力较大，对材质 强度要求较高，其蜗壳一般用铸钢制造。 缺点是：在非设计工矿运转时，产生不平衡的径向力。 设计螺旋蜗室时，通常以液体在蜗室中作等速运动，并从叶轮中均匀流 出为基本条件。螺旋形压出室中的蜗室只起收集液体的作用，在扩散管 中才将液体的部分动能转化为液体的压能。