Analysis of thrust loads in progressive cavity pump
Metsävainio, Tuomas (2024)
Diplomityö
2024
School of Energy Systems, Konetekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2024101781161
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2024101781161
Tiivistelmä
The research object is to calculate Progressive Cavity Pump (PCP) rotor thrust loads by finite element analysis to enable evaluation of the gearmotor sizing optimization. Optimization by analyzing the loads is to enable cost reductions for choosing optimum gear motors. The pump the research is considering is the Flowrox E35/10 PCP.
The analysis is performed as static Finite Element Analysis (FEA) that includes nonlinear features like contact, the complex geometry of contact pattern, and material properties of the stator elastomer. Options and values used in the analysis based on the existing literature and testing of defined boundary conditions are done to achieve an optimum choice. Testing of meshed element types and settings, material properties, and contact settings are presented with results as part of the research. The values are compared against analytical calculations based on assumptions of the behavior.
The simplified PCP rotor assembly model is defined to cover the needed boundary conditions based on past studies and literature. The model consists of three rotor positions based on the PCP 2:3 profile relations. Boundary condition values for interference are chosen from the experimental conditions. This model produces thrust loads measured from the rotor with fluctuation between different positions and temperatures, and the highest load result is by 4% from the maximum experimental measurement. The validity and reliability of the model conditions to achieve these values include uncertainties, which are to be covered before implementing the presented static FEA method in the design process. Tutkimuksen kohteena on laskea epäkeskoruuvipumpun (PCP) roottorin aksiaalikuormat käyttäen elementtimenetelmää, jotta voidaan arvioida mahdollisuuksia vaihdemoottorin koon optimointiin. Analyysin avulla tehtävä optimointi mahdollistaa kustannusten vähentämisen valitsemalla pienempiä vaihdemoottoreita. Tutkittavana oleva pumppu on Flowrox E35/10 PCP.
Analyysi suoritetaan staattisena elementtimenetelmäanalyysinä (FEA), joka sisältää epälineaarisia piirteitä, kuten kontaktin, kontaktin profiilin monimutkaisessa geometrisessa muodossa ja staattorin elastomeerimateriaalin ominaisuudet. Analyysissä käytetyt reunaehdot ja arvot perustuvat olemassa olevaan kirjallisuuteen. Optimaallisten valintojen saavuttamiseksi tehdään määritettyjen reunaehtojen testausta. Elementtiverkotuksen elementtityyppien ja asetusten, materiaalin ominaisuuksien ja kontaktiasetusten testaus esitetään tutkimuksen tuloksina. Tuloksia verrataan analyyttisiin laskelmiin jotka perustuvat oletettuun käyttäytymiseen.
Yksinkertaistettu PCP-roottorin kokoonpanomalli määritellään kattamaan tarvittavat reunaehdot aiempiin tutkimuksiin ja kirjallisuuteen perustuen. Malli koostuu kolmesta roottorin asennosta, jotka perustuvat PCP 2:3 profiilisuhteisiin. Kontaktin puristuman reunaehtojen arvot valitaan tehdyn testin asetusten mukaisesti. Malli tuottaa roottorista mitattuja aksiaalikuormia, joissa esiintyy vaihtelua eri asennoissa ja lämpötiloissa. Mallin ja mitatun suurimman aksiaalikuorman välinen ero on 4%. Analyysissä määritettyihin reunaehtoihin ja ominaisuuksiin liittyy epävarmuuksia, jotka on selvitettävä ennen esitetyn staattisen FEA-menetelmän käyttämistä suunnitteluprosessissa.
The analysis is performed as static Finite Element Analysis (FEA) that includes nonlinear features like contact, the complex geometry of contact pattern, and material properties of the stator elastomer. Options and values used in the analysis based on the existing literature and testing of defined boundary conditions are done to achieve an optimum choice. Testing of meshed element types and settings, material properties, and contact settings are presented with results as part of the research. The values are compared against analytical calculations based on assumptions of the behavior.
The simplified PCP rotor assembly model is defined to cover the needed boundary conditions based on past studies and literature. The model consists of three rotor positions based on the PCP 2:3 profile relations. Boundary condition values for interference are chosen from the experimental conditions. This model produces thrust loads measured from the rotor with fluctuation between different positions and temperatures, and the highest load result is by 4% from the maximum experimental measurement. The validity and reliability of the model conditions to achieve these values include uncertainties, which are to be covered before implementing the presented static FEA method in the design process.
Analyysi suoritetaan staattisena elementtimenetelmäanalyysinä (FEA), joka sisältää epälineaarisia piirteitä, kuten kontaktin, kontaktin profiilin monimutkaisessa geometrisessa muodossa ja staattorin elastomeerimateriaalin ominaisuudet. Analyysissä käytetyt reunaehdot ja arvot perustuvat olemassa olevaan kirjallisuuteen. Optimaallisten valintojen saavuttamiseksi tehdään määritettyjen reunaehtojen testausta. Elementtiverkotuksen elementtityyppien ja asetusten, materiaalin ominaisuuksien ja kontaktiasetusten testaus esitetään tutkimuksen tuloksina. Tuloksia verrataan analyyttisiin laskelmiin jotka perustuvat oletettuun käyttäytymiseen.
Yksinkertaistettu PCP-roottorin kokoonpanomalli määritellään kattamaan tarvittavat reunaehdot aiempiin tutkimuksiin ja kirjallisuuteen perustuen. Malli koostuu kolmesta roottorin asennosta, jotka perustuvat PCP 2:3 profiilisuhteisiin. Kontaktin puristuman reunaehtojen arvot valitaan tehdyn testin asetusten mukaisesti. Malli tuottaa roottorista mitattuja aksiaalikuormia, joissa esiintyy vaihtelua eri asennoissa ja lämpötiloissa. Mallin ja mitatun suurimman aksiaalikuorman välinen ero on 4%. Analyysissä määritettyihin reunaehtoihin ja ominaisuuksiin liittyy epävarmuuksia, jotka on selvitettävä ennen esitetyn staattisen FEA-menetelmän käyttämistä suunnitteluprosessissa.