主要教学内容：往复泵的排量；往复泵的有效压头、功率、效率；往复泵的吸入和排出过程；钻井泵空气包的计算；往复泵的特性曲线；往复泵的性能调节

   重点内容：往复泵的有效压头计算、往复泵的特性曲线和调节方式。

一、泵的排量（流量）

1.平均排量：单位时间内泵理论上输送的体积。

                    单作用泵                                                       双作用泵

单作用泵：  

双作用泵：

多缸单作用泵：

多缸双作用泵：

        式中， F-活塞面积，f-活塞杆面积；S-冲程；n-冲次；i-缸数

2.瞬时排量：泵在极短暂的时间△t内的排量。

瞬时排量：

如图所示，活塞移动的距离x可以写成：

活塞向右移动时，两项之间取+号，向左移动时，取-号。

令：      一般情况下，       则：

经推导得：

考虑到λ≤0.2，则活塞的位移、速度和加速度的近似方程为：

由上式，可绘出如图所示的排量曲线图。

排量曲线与横坐标所包围的面积A为：

而泵在上述范围内所输送的液体体积V为：

因此可认为：排量曲线下的面积的大小，以一定的比例表示泵输送液体的体积的大小。

从上述往复泵的瞬时排量曲线可以看出：往复泵的瞬时排量是按正弦规律波动的。其波动的大小可用排量不均度来表示。

 3.排量不均度：最大瞬时排量和最小瞬时排量的差值与平均理论排量的比值称为排量不均度。

单缸单作用：

双缸单作用：

三缸单作用：

四缸单作用 ：

      如不考虑活塞杆的影响，单缸双作用泵与双缸单作用泵的排量不均度相同，双缸双作用泵与四缸单作用泵的排量不均度相同。 

    排量不均度值越小，表明往复泵的排量越均匀。

   从计算结果看：三缸单作用的瞬时排量的波动是最小的。

4.实际排量：单位时间内泵实际输送的体积。

       往复泵工作时,由于吸入阀和排出阀不能及时关闭；泵阀、活塞和其它密封处可能有高压液体漏失；泵缸内或液体中可能含有气体，影响吸入充满程度等原因。因而实际排量要小于理论平均排量。  

排量(流量）系数：

α取0.85~0.95，对大型而吸入条件好的新泵， α可取0.97~0.99

二、往复泵的有效压头、功率、效率

1.有效压头H

  泵的有效压头—单位重量的液体所具有的总能量，以液柱高度表示。  

   断面Ⅰ-Ⅰ和断面Ⅳ-Ⅳ处

其能量平衡方程为：

经一系列推导得：

  1)         

2)         

 3）       H≈P表/ ρg

2.泵的功率

  往复泵在能量传递 过程中，也存在能量损失。其能量分配图如下：

1）有效功率（N）：单位时间内液体由泵获得的总能量。有效功率又称泵的水功率或输出功率。

    其计算公式为：N＝QρgH × 10-3 (kW) 

     式中  ρ—被输送液体的密度，kg／m3；

         Q—泵的实际平均流量，m3／s。       

2）转化功率（Ni）：单位时间内由机械能转化为液体能的那部分功率。

     Ni=HiQiγ × 10-3

3）主轴功率（Na）：发动机输送到泵主轴上的功率。主轴功率又称泵输入功率。

4）发动机功率（N发）

3.泵的效率

往复泵在工作过程中的功率损失有：机械损失、容积损失、水力损失。

1）机械损失及机械效率：

机械效率的大小则表示其机械传动部分的完善程度。

2）容积损失及容积效率：

3）水力损失及水力效率：

通常将容积效率和水力效率统称为转化效率ηi。

转化效率的大小表示液力部分的完善程度。

4）总效率：

    例题一、已知某往复泵的平均理论排量为26升/秒，排出口表压力为140大气压，吸入口真空度为0.3大气压，两表高差为1.2米，泵的机械效率和转化效率均为0.9，传动效率为0.95，泥浆重度为1200公斤/m3。

    试求泵的有效功率、输入功率及发动机功率。

   解：泵的有效压头为：

      泵的有效功率为：

     泵的轴功率为：

     发动机功率为：

     例题二、已知3NB-1600型钻井泵,泵的总效率为0.75，最小缸套时其最大允许压力为47MPa，泥浆重度γ=1200Kg/m3，泵的冲次不变。

    试求此泵的有效压头H、有效功率N、实际流量Q。

解：1）该泵的输入功率：Na=1600(马力）

       2）该泵的有效压头：

      3）该泵的有效功率：

      4） 该泵的实际流量：

三、往复泵的吸入和排出过程

往复泵的液体是不稳定流，液体压力是波动的。

1.吸入过程中液体的压力变化规律

吸入压力方程：

    由此可作出吸入压力变化图。

     图中：a—吸入安装高度；  b—泵阀的水头损失K（包括阻力损失和惯性损失）；  c—液缸内液体流速度水头及管线中阻力水头随活塞位移x变化的情况； d—吸入管内液体惯性水头随活塞位移x的变化情况；

    吸入压头为以上各曲线叠加的结果。

       在往复泵的实际工作中，P吸＜Pa，但P吸不能太低，还应考虑液体的汽化压力Pt，如P吸＜ Pt，将产生水击现象。此现象应尽量避免。

   所以，保证往复泵的正常吸入条件，应满足Pt ＜ P吸＜ Pa。

所以，改善往复泵的吸入条件的措施有：

1）降低泵的安装高度Z0；

2）缩短吸入管线，增大管径，安装空气包；

3）特殊情况下，使Z0为负值或用离心泵灌注。

2.排出过程中液体压力变化规律

四、往复泵空气包

 1.空气包的作用

      通过前面的分析，曲柄连杆传动往复泵工作时，每个液缸在一个冲程中排出或吸入的瞬时流量都近似地按正弦规律变化，即使有几个液缸交替工作，总的流量也达不到均匀程度。总流量的不均匀必然导致压力波动，进而引起吸入和排出管线振动，使吸入条件恶化，破坏管线和机件，至使泵不能正常工作。为了消除流量不均匀和压力波动，往复泵通常都安装有各种减振装置，空气包就是常见且有效的减振装置之一。

    排出空气包安装在泵的排出口附近，吸人空气包安装在泵的吸入口附近。空气包结构型式很多，图示为常用排出空气包中的一种。

      空气包是利用其内部气体的可压缩性进行工作的。以排出空气包为例，当液缸排出瞬时流量增加、液体压力加大时，胶囊内气体受压缩，空气包储存来自液缸内的一部分液体，使进入排出管的液体变化不大；当液缸排出的瞬时流量减少、液体压力减小时，胶囊内气体膨胀，空气包放出一部分液体，使进入排出管内的液体变化不大，从而保持排出管内压力趋于均匀。

      吸入空气包的作用是使吸入管中的液体流量趋于均匀，保持压力稳定。空气包气囊内一般充以惰性气体（氮气或空气），充气预压力视泵的工作压力而定。对于钻井排出空气包，充气压力一般为4～7 MPa；对于吸入空气包，充气压力为吸人压力的80%左右。

2.空气包的计算过程为：

1）平均工作压力下空气包内气体的体积：        β—剩余液量系数；δP —压力不均度。

2）未工作时空气包的体积:    

3）常压空气包的实际体积:    

4）预压空气包的体积:   

       P预的取值范围为：

例题3:已知某双缸双作用往复泵的缸套直径D为130毫米，相应最高压力P为200大气压，活塞杆直径d为75毫米，连杆长L=120毫米，曲柄长r=200毫米，冲程S=400毫米，压力不均度δp为5%。         试求空气包的体积。

五、往复泵的特性曲线

通过实验，可绘制出往复泵的特性曲线，如图所示：

1.从特性曲线可得出以下结论：

1)  泵的理论排量与压力无关；

2）泵的特性曲线与泵的管路特性曲线的交点称为泵的工况点；

3）在排出管线长度一定的情况下，泵排量不同，泵压也不同，降低排量，可使泵压相应降低。在排量一定的情况下，排出管线长度增加，泵压也增加。

2.钻井泵的临界特性曲线

       在往复泵的设计和使用过程中，一般受到两种条件的限制。

       第一，是泵的冲次 n 不能超过额定值。对钻井泵来说，冲次过萵，不仅会那加速活塞和缸套的磨损，使吸入条件恶化，降低使用效率，还会使泵阀产生严重的冲击，大大缩短泵阀寿命。在泵的冲程长度、活塞及活塞杆截面积一定的条件下，泵的流量 Q 与冲次 n 成正比。对于同一台钻井泵，冲程长度和活塞杆截面积通常是不变的，因此对于不同的活塞面积（(F 1 ，F2……F n )，即不同的缸套面积，都具有一个相应的最大流量 Q 1 ，Q 2 ……Q n ，即在某 i级缸套下工作时，泵的流量不允许超过 Q，否则泵的冲次就可能超过允许值。

       第二，受泵的压力限制。因为泵的活塞杆和曲柄连杆机构等的机械强度是有限的，为了满足强度方面的要求，每一级缸套的最大活塞力不应超过某一常数，即 p 1 F 1 =p 2 F 2 =……=p n F n =常数。也就是每一级缸套都受到一个最大工作压力或极限泵压的限制。设计泵时，各级缸套的直径及极限压力就是按照这个条件确定的。

       钻井泵的临界特性曲线正是根据这两个限制条件作出的。在图中，以 Q 为横坐标、p为纵坐标的直角坐标上，分别作出了每一级缸套(共 5 级)下的泵特性抽线，并在其上标定各级缸套极限工作压力点 1，2，……5，则折线 1-1”-2-2”-3-3”-4-4”-5 为该泵的临界工作特性曲线。临界工作特性曲线上通常还根据井身结构及钻具组成绘制各种井深时的管路特性曲线。

      从临界工作特性曲线可以看出：

      (1) 在机械传动的条件下，随着井深的增加，往复泵每级缸套的泵压近似按垂直线变化。

       当钻至某井深使泵压使泵压达该级缸套的极限值时，必须更换较小直径的缸套，从较低的压力开始继续工作。如泵在第一级缸套下以流量 Q i 工作时，井深由 L 0 增至 L 1 ，压力由 p 0 增至p 1 ；更换第二级缸套后，流量为 Q 2 ， 井深为 L 1 时，泵压为 P’ b 。随着井深的增加，泵压不断升高，一直到工作压力升到 P 2 时才需要更换缸套。

      (2) 无论泵速是否可调节，任何一级缸套下的流量 Q(或冲数 n)和压力 p 都限制在一定的范围内。用第一级缸套时，泵压和流量只能在矩形 Q 1 1P 1 O 范围内，用第二级缸套时，则限制在矩形 Q 2 2P 2 O 范围内。

       (3) 在泵的最大冲次保持不变的条件下，各级缸套下泵的最大流量 Q 1 ，Q 2 ……与活塞有效面积成正比，泵输出的最大水力功率（有效功率）为 N＝p1 Q1= P2 Q2＝……=常数。

       显然，点 1，2……5 的连线是一条等功率曲线。可以看出，往复泵工作时所有工况点都应控制在等功率曲线的下方，即泵实际输出的水力功率总是小于有效功率。应根据井深和钻井工艺的要求合理选用钻井泵，并按照井深变化的情况合理选用和适时更换缸套直径。还可以采用除纯机械传动以外的传动型式，使泵的工况点接近等功率曲线。

       当然，泵的临界特性曲线仅反映其本身的工作能力，而在使用中还要考虑其他因素的影响。当泵所配备的动力机功率偏小时（动力机所提供的最大功率小于泵的设计功率）。如图中的等功率曲线 N’所示，则泵的流量和压力应在 N’曲线的下方选用。此时，泵的工况主要受动力机功率的限制，同时也受到最大冲次和各级缸套最大压力的限制。又如，当排出管的耐压强度较低，最大允许压力 p o 小于泵某级缸套下的极限值时，泵的实际工作压力和流量应该在 P o 以下的范围内选用。

六、往复泵的性能调节

       往复泵与一定的管路系统组成统一的装置后，其工况点一般也是确定的。有时为了某些需要，希望人为地调节泵的流量，以改变工况点。

1．流量调节

       由于泵的流量与泵的缸数i、活塞面积F、冲次n及冲程S成正比关系，改变其中任一个参数，都可改变泵的流量。钻井泵中常用的调节流量方法有以下几种：

1) 更换不同直径的缸套

2) 调节泵的冲次

3) 减少泵的工作室

4) 旁路调节

2．往复泵的并联运行

      为了满足一定的流量需要，石油矿场中常将往复泵并朕工作。往复泵并联工作时，以统一的排出管向外输送液体，从泵的等功率曲线可以看出，并联工作有如下特点：

(1) 当各泵的吸入管大致相同，排出管路交汇点至泵的排出口距离很小时，对于高压力下工作的往复泵，可以近似地认为各泵都在相同的压力P下工作，即P1＝P2＝……＝P。

(2) 排出管路中的总流量为同时工作的各泵的流量之和，即Q1+Q2+……＝Q，当各台泵完全相同时，m台泵的总流量为Q＝mQi。

 (3) 泵组输出的总水力功率为同时工作各泵输出的水力功率之和，即N＝N1+N2+……，当各泵相同时，N=pQ＝mNi=mpQi。

 (4) 在管路特性一定的条件下，对于机械传动的往复泵，并联后的总流量仍然等于每台泵单独工作时的流量之和，而并联后的泵压大于每台泵在该管路上单独工作时的泵压。

       泵并联工作是为了加大流量。应注意的是，并联工作的总压力P必须小于各泵在用缸套的极限压力，各泵冲次应不超过额定值。