摘 要

单螺杆泵主要由转子和定子构成，它的外观型面比较复杂，同时运动形式也比较特殊。本课题以单螺杆泵定子与转子为研究对象，通过试验研究、理论分析和数值模拟，研究螺杆泵定子与转子不同过盈量下接触应力的有限元分析，为研究单螺杆泵密封性能提供理论基础和工程应用方法。

本文阐述了螺杆泵的运动规律，且基于螺杆泵的基本结构、工作原理、设计方法，运用Pro/E软件建立了所设计的单螺杆泵转子和衬套（定子）的实体模型。根据三维模型，利用Pro/E中的“画图”创建模型三维图，得到CAD图。同时，用CAD进行标注得到了螺杆泵的定子、转子和装配图。再使用ANSYS软件，研究不同过盈量下单螺杆泵定子与转子接触应力的变化。

基于ANSYS的单螺杆泵定子与转子接触应力分析，单螺杆泵内各密封线上的接触应力分布呈现出中间大，两头小的规律，且随着过盈量的增加，密封线上的接触应力有明显的升高，且各密封线的宽度也有所增加。提高过盈量可以提高单螺杆泵密封性能，但是会带来更高的摩擦损耗。所以说为了提高单螺杆泵的举升压力，单单增加过盈量并不是有效的手段和方法。

关键词：单螺杆泵；转子；定子；接触应力；有限元分析

ABSTRACT

The rotor and the stator are the main working parts of the progressing cavity pump. The rotor and the stator's surface is complex and mode of motion is particular. This thesis provides the theoretical basis of a progressing cavity pump(PCP) stator and rotor for the study ,experiments, theoretical analysis and numerical simulation, research stator and rotor ANSYS analysis of the amount of interference at different contact stress for the study of PCP seal performance and engineering methods.

And based on the structure, operating principle and method of design for the progressing cavity pump, the three-dimensional mode of both rotor and stator for a progressing cavity pump was built using the Pro/E code, and then virtual assembly of the progressing cavity pump was conducted in this work. According to three-dimensional mode, the engineering drawings of the stator, rotor and the assembly of the single progressing cavity pump were created using the Pro/E code. Using the ANSYS software, the different interference quantity order the changes of the contact stress of progressing cavity pump stator and rotor.

Analysis of contact stress of progressing cavity pump stator and rotor based on ANSYS, the contact stress distribution of each seal line in progressing cavity pump is middle large and two small.With the increase of the amount of surplus, the contact stress on the sealing line is obviously increased, and the width of each seal line is also increased.Increasing the excess capacity can improve the sealing performance of the progressing cavity pump, but it can bring higher friction loss.Therefore, in order to improve the lifting pressure of progressing cavity pump, it is not an effective means and method to increase the amount of surplus.

Keywords: Progressing cavity pump；rotor；stator；contact stress； Finite element analysis

目 录

摘要…………………………………………………………………………………I

ABSTRACT………………………………………………………………………II

第一章 绪论………………………………………………………………………1

1.1螺杆泵的发展情况及现状…………………………………………………1

1.1.1螺杆泵的发展历史及其用途…………………………………………1

1.1.2螺杆泵的结构…………………………………………………………1

1.1.3螺杆泵的工作原理和泄漏机理研究…………………………………2

1.1.4单螺杆泵在采油中的应用……………………………………………3

1.1.5影响螺杆泵密封性能的直接因素分析………………………………4

1.2 Pro/E对螺杆泵设计的影响…………………………………………………5

1.3 ANSYS在螺杆泵采油系统中的应用分析……………………………………6

1.4 研究内容……………………………………………………………………6

第二章 基于Pro/E的单螺杆泵建模…………………………………………7

2.1转子的建模…………………………………………………………………7

2.2定子的建模…………………………………………………………………13

2.3零件的装配…………………………………………………………………18

2.4本章小结……………………………………………………………………19

第三章 基于ANSYS的单螺杆泵定子与转子接触应力分析……………20

3.1导入模型……………………………………………………………………20

3.1.1导入模型……………………………………………………………20

3.1.2生成体………………………………………………………………21

3.1.3设置单元类型………………………………………………………22

3.1.4定义材料……………………………………………………………24

3.2划分网格………………………………………………………………24

3.3接触面的建立………………………………………………………………28

3.4加载计算……………………………………………………………………31

3.5结果分析……………………………………………………………………31

3.6小结…………………………………………………………………………32

第四章 结论与展望……………………………………………………………34

参考文献…………………………………………………………………………35

致谢…………………………………………………………………………………38

第一章 绪论

1.1螺杆泵的发展情况及现状

1.1.1螺杆泵的发展历史及其用途

螺杆泵被发明时间比较晚，第一台单螺杆泵是由一个叫莫诺的法国工程师在1930年创造。1931年，三螺杆泵在瑞典问世，由IMO公司发明。1995～2001年间，螺杆泵的每年的生产量还不到8000台，但从此之后产量增长迅猛，到2011年已经接近13万台^[1-2]。螺杆泵发展至今，已经是门类各异。

螺杆泵的变化取决于在定子和转子之间的空间体积的变化。按照吸入方式，可以分为单吸式和双吸式。根据螺杆泵的数量，可分为单螺杆泵和双头螺杆泵^[3]。螺杆泵作为一种先进的容积式泵，运行稳定、结构可靠、体积效率高。由于上述的诸多优点，它得到了各个行业领域的青睐，包括：船舶工业、石油工业、化工工业和食品工业等等，尤其是在石油开采行业，螺杆泵更是发挥了极其重要的作用，正逐步的走向规范化和系列化。

1.1.2螺杆泵的结构

本课题主要是以应用较为广泛的单螺杆泵为研究对象，应用在油田开采现场中的单螺杆螺杆泵为例说明螺杆泵的举升原理，其中介质为原油。单螺杆泵主要由转子和定子组成，万向节、传动轴、密封件、轴承座、吸室、放箱等部件组成，如图1-1所示。

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