固控系统中螺杆泵的工作原理

螺杆泵在固控系统中主要用于输送高含固量、高粘度、以及具有一定磨蚀性的流体,例如:

钻井液(泥浆):从振动筛下方输送到后续的清洁器、离心机等设备。

加重泥浆:输送高密度的重晶石泥浆。

剪切胶液:用于水化处理膨润土等添加剂。

离心机底流:输送由离心机分离出的高密度固体颗粒。

其核心工作原理是:利用螺杆在橡胶定子腔内的行星回转运动,形成一个个密闭的、连续向前移动的腔室,从而平稳、无脉冲地将介质从吸入端推送到排出端。

主要组成部分

一台单螺杆泵主要由三个核心部件组成:

转子:一根表面经过硬化的单头金属螺杆(像一根粗大的螺丝),通常由合金钢制成,耐磨耐腐蚀。

定子:一个内部具有双头螺旋腔的橡胶衬套(像一个柔性的螺母),这个腔体的型线是由转子的型线偏移形成的。定子通常被压装在钢制外壳内。

螺杆泵
图片1:螺杆泵

万向节/传动轴:连接驱动轴和转子,将电机的旋转运动传递给转子,并允许转子在定子内进行行星运动。

详细工作原理

动力输入:

电机(或柴油机)通过联轴器带动泵的驱动轴旋转。

行星回转运动:

驱动轴的旋转通过万向节传递给转子。由于转子比定子的内腔小,且定子腔是双头螺旋而转子是单头螺旋,转子不会简单地在定子中心自转。相反,它会在定子腔内作一种行星运动——即一边绕自身的轴线旋转(自转),一边其轴线又绕定子的轴线旋转(公转)。

密封腔室的形成:

转子的表面和定子的弹性衬套内表面紧密贴合,形成一系列连续的、密闭的腔室。这些腔室沿着泵的轴向从吸入端延伸到排出端。

介质的输送:

随着转子的行星运动,这些密闭腔室作为一个整体,稳定地从吸入端向排出端移动。这就好比用你的手指连续不断地拧动一个充满牙膏的牙膏管,牙膏会被平稳地挤出去。

吸入过程:在泵的吸入端,腔室的容积不断增大,产生局部真空(负压),将介质吸入腔室。

输送过程:吸入的介质被封闭在腔室内,沿着泵的轴向被推送到排出端。

排出过程:在泵的排出端,腔室的容积不断减小,从而将介质平稳地挤压出去,完成输送。

连续流动:

由于腔室是连续形成的,一个接一个,因此泵的流量非常平稳、均匀,无脉冲、无湍流。这是螺杆泵区别于离心泵和活塞泵的一个显著优点。

在固控系统中的关键优势

螺杆泵之所以非常适合固控系统,正是基于其独特的工作原理:

强自吸能力:具有良好的吸上能力,能够处理不易流动的粘稠介质。

低剪切力:对输送介质的搅动和剪切很小,非常适合输送需要保持原有性质的液体(如预水化胶液),避免破坏钻井液性能。

处理高含固量流体:能够轻松输送含有大量固体颗粒(如钻屑、重晶石)的磨蚀性浆液,而不会像离心泵那样叶轮容易磨损或堵塞。

流量稳定无脉冲:平稳的输送有助于后续处理设备(如离心机)的稳定运行。

可变量输送:在恒定转速下,流量是固定的。但通过改变转速(使用变频器),可以轻松调节流量,实现精确控制。

注意事项

干运转:绝对禁止干运转。橡胶定子需要输送的介质来润滑和冷却。干运转会在极短时间内产生高温,烧毁橡胶定子。

合适的转速:对于磨蚀性强的钻井液,需要选择较低的转速以降低磨损,延长转子和定子的寿命。这就是为什么固控系统中的砂泵、离心机供浆泵等通常都是低速大尺寸的型号。

定子磨损:定子是易损件,长时间使用后橡胶内衬会磨损,导致泵的效率下降(流量和压力降低),需要定期检查和更换。

总结

在固控系统中,螺杆泵就像一个不知疲倦的“推土手”,通过其独特的行星啮合原理,形成一个个移动的密闭腔室,平稳、柔和、高效地将磨蚀性强的钻井液和钻屑混合物从一处推送到另一处,是连接各级固控设备、确保钻井液循环处理流程顺畅的关键装备。