新型转子式油气混输泵出口球阀运动规律分析.pdf

2 O 1 2 年第 4 l 卷 第 1 0期 第 2 O页 石油矿 0l L FI ELD 场机 械 EQUI PMENT 2 0 1 2 ， 4 l 1 0 2 0 ～ 2 3 文 章 编 号 1 O 0l 一 34 8 2 2 0 1 2 l 0 0 02 0 0 4 新型转子式油气混输泵出口球阀运动规律分析 张生昌 。 张 玉林 ， 方志 明 浙江工业大学 ， 杭州 3 1 0 0 1 4 摘 要 参考往 复 泵球 阀相 关理 论 ， 考虑液 体 的压缩 性及 连 续 流动 条件 、 魏 氏效应 、 阀球 的动 力特性 ， 建 立 了新 型转子 式油 气混输 泵 出 口球 阀在 纯液工 况下 的运动微 分 方程组 。在 阀球材 质分 别为 聚 甲 醛 、 陶瓷 、 钢 的条 件 下 ， 采 用龙 格一 库塔 方 法建立 泵 阀运 动规律 仿 真模 型 ， 利 用 Ma t l a b软件 进 行仿 真 计算， 得到阀球升程、 速度与时间的关系曲线。 关键 词 转子 式油 气混输 泵 ； 球 阀 ； 运 动规律 ； 数 学模 型 ； 仿 真 中图分 类号 TE 9 7 3 ． 5 文 献标识 码 A An a l y s i s o f M o v e me n t Ru l e s o f Ex p o r t Ba l l Va l v e o f Ne w Ro t o r Oi l g a s M i x t u r e Pu m p ZHANG She ng c ha n g， ZH ANG Yu l i n， FANG Zhi m i ng Zh e j i a n g Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y， Ha n g z h o u 3 1 0 0 1 4 ， C h i n a Abs t r a c t Co ns u l t e d t he r e l a t e d t h e o r y o f r e c i pr oc a t i ng p ump b a l l v a l v e， c o ns i de r e d t he c ompr e s s i b i l i t y o f l i q ui d，t he W e s t e r ph e n o m e n o n，c o nt i nuo u s f l ow c o nd i t i on s of l i q ui d a n d t h e d y na mi c c ha r a c t e r i s t i c s o f t he ba l 1 ． Th e mot i o n d i f f e r e n t i a l e qu a t i o ns we r e c o ns t r u c t e d。 whi c h d e s c r i b e d t he mo ve m e nt r ul e s of n e w r o t o r o i l g a s mi xt u r e pu mp e x p or t b a l l v a l ve i n p ur e l i qu i d c o nd i t i on． I n t h e c o nd i t i o n o f di f f e r e nt ma t e r i a l o f ba l l v a l v e。 whi c h a r e o f d a i c e 1 。 c e r a mi c s a n d s t e e l 。 us i n g t he Ru ng e ku t t a me t ho d t o e s t a b l i s h c o mpu t e r i z e d s i m u l a t i on mod e l a n d d o i ng a s i m u l a t e c a l c ul a t i o n f o r n e w r ot or o i l g a s mi x t ur e pu mp e xp o r t b a l l v a l v e by us i n g t he M ATLAB s of t wa r e ．The r e l a t i o ns hi p c u r v e a bo u t v a l v e l i f t ， b a l l s pe e d a nd t i m e wa s g ot ． Ke y wo r d s r o t o r o i l g a s mi x t u r e pu mp； b a l l v a l v e ；mo v e me n t r u l e s； ma t h e ma t i c a l mo d e l ；s i mu l a t i o n 为解 决油 气混 输 难 题 ， 在传 统 外 环 流转 子 泵 出 口增设 了 1 组 球 阀 ， 使其具 有 内压缩 功能 ， 能更 好地 适 应气 、 液两 相工 况 。 目前 尚未见 有 关 转 子式 油 气 混 输泵 球 阀运动规 律 的研究报 道 。本文 根据转 子式 油 气混 输泵 工作 及转 子 运 动 特性 ， 分析 并 建 立 了球 阀运 动微分 方程 ， 对 转 子 式油 气 混 输 泵 出 口球 阀 运 动特 性进行 了初 步分 析与研 究 。 1 球 阀运动 的数学模型 新 型转子 式 油 气 混输 泵工 作 原 理 如 图 1 ， 出 口 球 阀结构 如 图 2 。 转 泵 体 口 图 1 新型转子式油气混输泵工作原理 收 稿 日期 2 0 1 2 - 0 2 2 0 作者简 介 张生 昌 1 9 5 6 ， 男 ， 江西新干人 ， 教 授级 高级 工程 师， 主要从事固液两相流 隔膜泵 、 新 型气 液混输转 子泵和高 气 蚀性能转子往复泵等产品的研究与开发 。 第 4 1卷 第 1 o期 张生昌 ， 等 新型转子式油气混输泵 出口球阀运动规律分析 阀 阀 图 2球阀结构示意 为便 于 建立数 学模 型 ， 作 5个假设 1 不 考虑 液体 在液 缸 内流动 的摩 阻损失 。 2 活塞 与液 体 没有脱 离 现象 。 3 液缸 内各 点 的压力 及密 度都 相 同 。 4 流体 动力 学封 闭方 程为 均熵 流场 。 5 不考虑泵腔内的余隙容积。 1 ． 1球 阀运 动微 分方 程 不考虑 阀球与液体之间的摩阻 ， 假设球阀沿 中 心线做 直 线运 动 。球 阀运动 规律微 分 方程 为口 Ap A 一 d g d h 1 0 1 式中， △ 为上下 压差， MP a ； A 为 阀球工作 面积 ， m ； md为 阀 球 质 量 ， k g ； g为 重 力 加 速 度 ， m／ s ； h 为 阀球 运 动加速 度 ， m／ s 。 1 ． 2 液缸 内液 体连 续流 方程 活塞 排液过 程 ， 在 时 间 间 隔 △ 内， 活 塞 转 动 角 度为 如图 1 所示 。单位时间内液缸 内液体 的减 少量应等于通过阀隙流出液体 的质量 ， 得到连续流 方 程_ 1 为 d M d M R 2 式中， d M 为液缸内液体 的减少量 ； d MR为通过阀隙 流 出液体 的质 量 。 d M E 1 8 0-- _ a V e -- V 一 p d V a d ≠ 3 d M R 一 √ 4 式 中 ， 为泵 腔容 积 ， r n 。 ； Va 为 阀隙 、 球 阀与 阀座形 成的空 间体 积， i n 。 ； p为液缸 内液体 密度 ， k g ／ m。 ； A 为阀 隙过 流 面积 ， m。 ； P为 液缸 内液 体 压力 ， MP a ； P d 为泵 的出 口压 力 ， MP a ； p d 为流 过球 阀间 隙 的 液体密 度 ， k g ／ m。 ； 为流 量 系数 ， 一0 ． 5 0 ～ 0 ． 6 7 ； a为 转子 内圆包角 。 转子 结构 如 图 3所示 ， 由图 3 可 得 表达 式如 式 5 。 I [旦． 丝 图 3 转子结构 { c 一 [ 一 号 R r t a n 售 一 号 ] B V 5 式 中， R 为转子外 径 ， m； r为 转 子 内径 ， m； B 为转 子 宽 度 ， m, p为转 子外 圆包 角 。 由流体动力学均熵流场假设 ， 液流密度仅为压 力 的 函数 。 根 据 式 2 ～ 5 可 推 出 i 车续 流 方 程 为 一 _ SA xd ％ ／ 2 P -- p a d Ve 1 c 1 出 [ 2一 V1 8 0 ] d I d j 式 中 ， 、 A 警，10 与 p 由 以 下 公 式 计 算 得 到 。 1 阀隙、 球阀与阀座形成的空间体积 。 根 据 图 2中几何 关 系可得 [ 2 4 Vd一 - h 3 r ； 一 3 h 、 一 h R a 一 ／ Rj r 3 2 Rj 一r 5 h ≥Rd 一 ／ R ； 一r j 6 式 中 ， r d lJ 为 阀座 孔研 合宽 度最 大 半 径 ， m； R 为 阀球 半 径 ， m。 2 阀隙过流面积 A划。 即图 2中圆台 EF C B E侧 面积 ， 有 A d L d h 8 L 2 。 √ 卺 √ 一 c 。 3 球 阀工 作 面积 A 。 石油 矿 场机 械 2 O l 2 年 1 O月 Av d 一 ㈣ [ ～ 2 √ 一 c 麓 c ] n vd 1 h R 一 ． 2 2 l 一 【 0 ≥R d 一 ／ R j r 5 1 1 4 液缸内液体密度与压力之间函数关系。 p p o e c 。 ‘ P o 。 1 2 式中， 为液缸 内液 体在标准状态下 的密度 ， k g ／ m 。 ；c 。为 泵 输送 液体 的压 缩 系数 ； 。为标 准 压 力 ， MPa 。 1 ． 3 球 阀运动初始 条 件 当球阀所受的液体压力大于其重力时， 才能打 开球 阀 。根 据泵 阀静 力 平 衡方 程 ， 可 推得 球 阀 开启 压 力 为l 5 L i p 1 o _ 1 3 丁 c r P。 d Pd Ap。 d 1 4 式 中 ， △ 。 a 为球 阀开 启 压 差 ， MP a ； P 。 为 球 阀 开启 时 液 缸 内液 体压 力 ， MP a 。 1 ． 4球 阀运 动规 律仿 真模 型 上述所建立的球 阀运动微分方程、 液缸 内液体 连 续流 方程 及初始 条件 构成 了描述 球 阀运动 规律 的 数 学模 型 ， 可 得 d 一 a√ ，， 警一 ．o 警 [ 1 8 O V a ] d 1 一 l 一 p 一 g I ⋯ 一 o a h 1 一 一0 h I t r od一 0 1 5 2实例计算 与分析 结 合式 1 5 ， 本文 采用 龙格一 库 塔方 法 建立 泵 阀 运动 规律 的仿真 模 型 ， 利用 Ma t l a b软 件对 转子式 油 气混输泵进行数值仿真计算。转子式油气混输泵输 送 的介质 是原 油 ， 且 当作 不可压 缩流 体考 虑 。 基 本参数 阀 座孔半 径 一0 ． 0 3 2 5 m； 阀 座半 锥 角 一4 5 。 ； 阀座 倒 角 长 度 z 一0 ． 0 0 5 m； 阀 球半 径 R 一0 ． 0 4 5 m； 转 子外 径 R一0 ． 1 4 I T I ； 转 子 内径 r 0 ． 0 8 5 1 T I ； 转 子 宽 度 B 0 ． 1 m； 转 子 外 圆 包 角 口 一 9 0 。 ， 内圆包 角 a 一8 8 。 ； 泵转 速 一5 0 0 r ／ rai n ； 泵 流量 Q一1 0 0 m。 ／ h ； 原 油 密 度 p 一8 5 6 k g ／ m。 ； 进 口压 力 P 一0 ． 2 MP a ； 出 口压力 d 一1 ． 2 MP a 。 由泵 的转速 一 5 0 0 r ／ rai n ， 可求 得 泵 的运 动 周 n 期为 T一 一0 ． 1 2 s 。 J U U 2 ． 1 阀球材料 为聚 甲醛 聚 甲醛 的密度 一 1 4 2 0 k g ／ m。 。将 基 本 参 数 代入各方程 ， 得到阀球升程与时间、 阀球速度与时间 的关 系曲线 ， 如 图 4 ～5 所 示 。 昌 { 越 氍 索 兹 疆 1 2 图 4 聚甲醛 阀球升程随时间的变化曲线 f ∞ ● 量 3 兹 膣 图 5 聚甲醛 阀球速度随时间的变化 曲线 2 ． 2阀球 材料 为 陶瓷 陶瓷 的密度 P a 一2 8 0 0 k g ／ m。 。将 基 本参 数 代 入 各方程 ， 得 到 阀球 升程 与时 间 、 阀球 速度 与时 间 的 关系曲线 ， 如图 6 ～7所示 。 皇 兹 匿 0 ．0 2 o ．0 4 o．0 6 o ．0 8 o ． 1 o o 1 2 时间f ／ s 图 6 陶瓷阀球升程随时间的变 化曲线 第 4 1 卷 第 1 0 期 张生昌 ， 等 新型转子式油气混输泵 出口球 阀运动规律分析 - 、 曼 删 蕾 鏖 图 7 陶瓷 阀球速度 随时间的变化 曲线 2 ． 3阀球 材 料为钢 钢的密度为 一7 8 5 0 k g ／ m。 。将基本参数代 人各 方程 ， 得 到 阀球 升程 与 时间 、 阀球 速度 与时 问 的 关系 曲线 ， 如图 8 ～9 所示。 鲁 宴 奄 厦 ， ● 昙 兹 屡 图 8 钢阀球升程随时间 的变化 曲线 图 9 钢 阀球 速 度 随 时 1 的变 化 随 线 3仿 真 结 果 分 析 整 理 图 4 ～9的数 据列 入表 1 。 1 纯液工况下 ， 由升程曲线可知 ， 随着排液过 程的进行 ， 阀球的升程越来越大 ， 但曲线的斜率不断 减小 ， 即升程 增加 越来 越慢 。由表 1可知 ， 阀球 采用 不 同的材 质 时 ， 球 阀升 程 的最大值 不 同 ， 且 升程 的最 大 值与 阀球 密度成 反 比 ， 即阀球 密度越 大 ， 球 阀升程 的最大值 越 小 。此 外 ， 由升程 曲线 可知 ， 转子式 油气 混输泵在输送纯液介质时 ， 阀球达到最大升程 以后 ， 阀球将 悬浮 于某 一 固定 高度 ， 这 一 高 度位 于升 程 最 大 值 附近 。 2 由阀球速度曲线可知， 在泵阀开启初期， 由 于开启 速度 大 ， 阀球呈 跳跃 式开 启 。在 此后 ， 阀球 速 度逐渐减小 ， 当 阀球达 到最 大升程后 ， 阀球速 度为 零 。此外， 由阀球速度 曲线还可知， 不同密度的阀球 达 到最 大速 度 的时 间不 同 ， 阀球 密度越 大 ， 所需 的时 间越 长。但 阀球 速度 的最 大值 不受 阀球 密度 的 影 响 。 表 1 不同材质阀球的开启升程与开启速度 4 结 论 1 根据转子式油气混输泵运动特性 ， 建立 了 描述球 阀运动规律的数学模型 。此模型综合考虑了 阀球运 动 的魏 氏效 应 ， 流 体 的 可压 缩 性 对 液缸 内液 体连续流条件的影响及球阀运动的动力特性 。 2 应 用数 值微 分法 对球 阀运 动微分 方程组 进 行 仿 真求解 ， 得 到不 同材质 的 阀球升 程 、 阀球速度 与 时间的关系曲线 。分析了新型转子式油气混输泵球 阀在纯液工况的运动规律 ， 对 出 口球 阀的设计计算 具有参考价值。 参 考文献 [ 1 ] 鲍慧梅． 高精度 计量泵 的泵 阀运 动规律分 析及优 化设 计E D ] ． 杭州 浙江工业大学 ， 2 0 0 8 ． E 2 ] 董世民 ， 王尊策 ， 李德富 ， 等． 往复泵 自动球 阀的精确运 动微 分方程及 其数 值解 E J ] ． 力学 与实践 ， 1 9 9 9 ， 2 1 5 28 31 ． [ 3 ] 曲 海 ， 梁政 ， 魏秦 文． 直线 电机 采油泵 球 阀运 动规 律研究 E J ] ． 流体机械 ， 2 0 0 7 ， 3 5 1 1 3 7 4 1 ． [ 4 ] 高文凯 ， 梁政 ， 钟 功祥 ， 等． 往复泵 自动球 阀运 动规 律 数学模 型及计 算[ J ] ． 石 油矿场机 械 ， 2 0 0 6 ， 3 5 1 5 - 9 ． E s ]梁 政． 关 于 球 阀直 径对 泵 阀 开启 压 差影 响 的讨 论 [ J ] ． 石油机械 ， I 9 9 1 ， 9 8 3 9 4 2 ． [ 6 ] 刘保柱 ， 苏彦华 ， 张宏 林． MA TI A B 7 ． 0从入 门到精 通 [ M] ． 北京 人 民邮电出版社 ， 2 0 0 8 ．