油气混输泵叶轮叶片重叠度数值模拟.pdf

2 0 1 1年 第 4 O卷 第 6期第 5 3页 石 油 矿 场 机 械 OI L F I EL D EQUI P ME NT 文 章 编 号 1 O 01 34 8 2 2 0 11 0 6 0 05 3 05 油气混输泵叶轮 叶片重叠度数值模拟 马希金 ， 胡忠辉 ， 周贯五 ， 刘高博 兰州理工大学 能源与动力工程学 院， 兰州 7 3 0 0 5 0 摘要 基于螺旋轴流式油气混输泵叶轮 的基本参数 ， 利 用标准 ／ - 8模 型和 Mi x t u r e 模 型， 在 叶片重 叠 系数 1和 m一1 及不 同体积含气率下， 对单个压缩单元进行三维气液两相流场数值模拟。通 过对叶片Z - 作 面、 背面静压和速度 矢量分析 ， 探 讨气液 两相介质在叶轮 内的流动规律 ， 并绘制在 2 种重叠 系数 下效率和相对扬程与不 同含气率关 系曲线。结果表 明 压 缩单元叶片重叠 系数 m l 时 ， 其效 率和 对流体 的 增压 能力 均 大于重 叠 系数 一1时 。 关 键词 油气 混输 泵 ； 叶轮 ； 重 叠 系数 ； 含 气 率 ； 数 值模 拟 中图分 类号 TE 9 6 4 文 献标识 码 A Nu m e r i c a l S i m u l a t i o n o f I m p e l l e r Bl a d e Ov e r l a pp i n g Co e f f i c i e n t s o f Oi l Ga s M i x i n g Pu mp MA Xi ～ j i n， HU Z h o n g h u i ， Z HOU Gu a n wu ， LI U Ga o b o S c h o o l o f En e r g y a n d Po we r En g i n e e r i n g， L a n z h o u Un i v e r s i t y o ／ Te c h n o l o g y， L a n z h o u 7 3 0 0 5 0 ， Ch i n a “““一 “”“”“” “ “”“” 卜 “ ’ 卜””” 卜 ”． - 卜 “ ’ 卜“ 使用的理想区间之内， 因此该传动箱的变速参数是 合理 的 。 2 各挡下， 各构件都没 出现过高转速 ， 方案是 合 理 的 ， 只是在 2挡 、 4挡 时 出 现 了 3 7 2 5 r ／ mi n的 情况 ， 该转速在行星传动 中是经常应用的 ， 但应注意 润滑 系统 的工作 正 常 。 3 倒挡时第 4行星排 行星架 的扭矩最大 ， 为 1 4 3 5 N r f l ， 这是构件强度的危险部位。 4 高速挡 4 、 5挡 时， 制动器或离合器 的扭 矩 比较小 ， 在设计时相应的打滑扭矩也 比较小。当 采用高速启动或过载时， 该制动器或离合器 的扭矩 很容易超过打滑扭矩 。若 出现打滑现象 ， 且打滑时 间过长 ， 将发出大量的热 ， 冷却 系统不能及时冷却 ， 将烧坏摩擦片或 整个液压系统。因此 ， 使用 中不能 用高速挡启动， 一般路面用 2 、 3挡启动 ， 较差的路面 用 1 挡启动 ， 在起下工作中应注意不要过载。 5 5挡效率最高 ， 倒挡效率最低。因此 ， 倒挡 时将 产 生大 量 的热 ， 所 以应 尽量 减少 使用倒 挡 时 间 。 6 在各挡对应的制动器或离合器 制动时， 变 速部分就具有了一定的传动比， 当后部转速高时， 传 动比突然增加 ， 后部转速由于惯性作用不能降下来 ， 前部转速将升高。这时 由于变矩器是闭锁的 ， 将带 动发动机曲轴旋转 ， 损坏发动机， 并且制动器和离合 器将反 向打滑 ， 同样产生大量的热而损坏。因此 ， 使 用 中在高速下不能降挡 。在井场起下工作 中， 降挡 时应首先减小油门， 绞车刹车 ， 然后降挡加油 门。 参考文献 E l ； Al l i s o n T r a n s mi s s i o n 5 0 0 0 ／ 6 0 0 0系列非公路 用传 动箱 维修手册[ K] ． 1 9 8 6 ． [ 2 ] 尹永晶 ， 杨汉立． 石油修井机E M] ． 北京 石油工业 出版 社 ， 2 0 0 3 ， 5 8 7 0 ． [ 3 ] 孟宪克 ， 吕阿波 ， 党宁军 ， 等． 刈 4 5 0型修井机转盘 传动 系统改造口] ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 9 ， 3 8 4 8 1 8 3 ． 4 3 冯小琴， 韩春霖 ， 苏卫东 ， 等． 修井机用电喷柴油机与液力 变矩器性能分析E J 1 ． 石油矿场机械， 2 0 0 9 ， 3 8 6 8 7 8 9 ． E 5 3 曲永哲 ， 史永 庆 ， 齐 洁 ， 等． X J 9 0 2 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o f e f f i c i e n c y a n d r e l a t i ve he a d wi t h g a s v o l ume f r a c t i on a r e p a i nt e d i n t WO k i nds o f o v e r l a p pi n g c o e f f i c i e n t s ． Re s u i t s s ho w t ha t m 1 o f t he e f f i c i e nc y a nd p r e s s u r e bo o s t e d o f c o m p r e s s i o n c e l l a r e b e t t e r t ha n m 一 1 ． Ke y wo r d s o i l g a s mi x i n g p u mp；i mp e l l e r ；o v e r l a p p i n g c o e f f i c i e n t ；g a s v o l u me f r a c t i o n ； nl 】 me r i c a 】s i m l2 1 a t i o n 随着 海上油 田和边 际油 田的开 发 ， 油 气 混输 泵 以其有效的工作方 式和经济效益 已经成 为研究 的热点 ] 。对 于油气混输泵 ， 要输送 两相介质 ， 其 内部流 动复杂 ， 需要 其具 有稳定 的性 能 。叶 轮作 为油气混输 泵 的核心 部件__ 2 ] ， 可提 高两 相介 质混 合物的压能 ， 直接 决定 着泵 的效率 和稳 定性 。设 计 高效稳 定性能 优 良的混输 泵 ， 关键在 于 叶轮 的 设 计 ， 但 目前 油气混 输泵 的水力设 计还 没有 一套 成 熟 的设 计 方 法 l_ 3 ] 。 理论分析和试验研究是开发新产品的 2 个重要 手段 ， 对于混输泵 同样如此 。多相流动是交叉学科 ， 而多相流体的输送更是其 中的难点 。由于试验的条 件和成本的限制 ， 不可能对所有设计产品进行试验 。 数值模拟具有投入少、 周期短、 信息完整、 仿真模拟 能力强等优点 ] 。黄思__ 6 验证了 F L UE NT对气液 两相轴流泵计算分析的有效性 。为设计 出更加满足 要求的叶轮， 利用 F L UE NT模拟气 液混 输泵叶片 在不 同重叠系数下的流场 ， 找出两相介质在叶轮 内 部的流动规律， 根据其流动规律改进 、 补充和完善设 计 ， 从而 走 向 良性 循环 的轨 道 。 图 1 嗍格 划 分 1 ． 2 气液两相介质物性参数及叶片泵操作参数 为便于模 拟结果与试验结果进行对 比， 将计算 中使用 的气液两相介质物性参数及叶片泵操作参数 列 表 如表 1 。 表 1 气液介质物性及混输泵操作参数 参数 液相 水 气相 空气 泵总流量／ m。 h 泵转速 ／ r rai n 泵人 口操作 压力 ／ P a 泵人 口温度 ／ K 泵人 口密度 ／ k g r n 比热／ J K 粘度／ k g r n s 1 O 0 2 95 O 1 0 1 32 5 29 8 9 98 1 ． 22 5 4 1 8 2 1 00 6． 4 1 ．0 03 10 。 1 ．79 1 0一 1 模拟计算前 处理 2 湍流模型 1 ． 1泵过 流 区域 网格 生成 具体叶轮设计方法及建模步骤参考马希金、 曲 鑫等 剖的思想 。网格 的质量直接影响数值计算的 精度和稳定性 ， 质量差的 网格甚至会 导致数值解的 发散 。I C E M～ C F D 网格划 分软件能划 分出高质 量 的六面体 网格、 四面体 网格和混合网格 ， 对油气混输 泵叶轮和导叶的流道及其进 出 口部位进行 网格加 密 ， 如 图 1 所 示 。 鉴于流道计算模型的紊流流场复杂， 网格数量 大， 采用标准 e模型运算 的误差 在误差允许范 围 内， 故选该模 型进行计算 。在数值计算过程 中， 已假 设流动不可压 ， 且不考虑源项 ， 则标准 ￡模型变为 ， c 方程 ， 即 1 l 一 3 a 差 G e 1 第 4 0卷第 6期 马希金 ， 等 油气 混输 泵叶轮叶片重叠度数值模拟 其 中 ，G c 差 e 方程 为 P 1 ￡ Ij ￡ 一 2 表 明叶 片 相 互 重 叠 ； m1 ， 通过改变压缩级叶片的重叠系数 一1和 l两种情况， 含气率 a在 0 ～0 ． 9 5范围内， 用 F L U E NT软件对同一模型在不同含气率情况下进行模 拟。通过模拟 m一1和 1时压缩级在不 同含气 率下获得的叶片静压和速度矢量分布 ， 对 叶轮 内部 流动情况进行分析 ， 如图 2 ～5所示 。 4 ． 1 叶片 静压 力分 析 图 2 ～3分 别 为 当含 气 率 a 一0和 a 一0 ． 5时 ， 2 种重叠系数下叶片工作面及背面静压分布情况 ， 左 边 为工 作 面 ， 右边 为 背面 。 a m1 b，n1 图 2 a 一0时叶片工作面及背面静压 图 a ， n l b “ l l 图 3 a 一0 ． 5时叶片工作面及背面静压 不同含气率下 ， 两重叠系数下 叶片工作面的静 压均成径向分布 ， 静压力随半径增大而增加 ， 因为工 作面是传递给介质能量 的主要部位， 而该 能量与半 径大小成正 比。由于叶轮流道甩 出的流体动能较 大 ， 叶片工作面直接受到静叶的干涉 ， 使其出口处的 压力 分布 不均 匀 ， 压力梯 度 较 大 ， 尤 其 是在 m 1时 较为 明显 ， 而且 含气 率越 大 ， 压力 梯度 越大 。由于重 叠系数大的叶片与重叠系数小的相 比弦长较长， 在 相 同的 时间 间隔 内导 叶对 叶 片 尾 部 造 成 的 干 涉 面 广， 所 以 m 1时压 力分布 的不 均匀性较 为明显 。 因为含气率小的流体密度 大， 含气率大 的流体密度 小 ， 由伯努利方程知 ， 流体速度改变受到流体密度大 小的影响 ， 密度大 的流体动能改变小 ， 压力梯度 就 小 ； 密度小的流体动能改变大 ， 压力梯度就大 。 不 同含气率下 ， 叶片背 面的压力沿 轴 向分布 。 轴向压力的分布体现轴流式压缩级内的整体压力增 石油 矿场 机械 2 0 1 1 年 6月 加趋势 。叶片背面靠近进 口边有一 明显的低压区， 这是叶片上最容易发 生空蚀 的部位 ， m1时叶片 背面前端与 一1时相 比， 有着较大范围低压 区， 这 是 由于从 过渡段 端 面流人 叶 轮段 的来 流方 向基 本沿 轴 向进 入 ； 1时 的 叶 片 进 口安 放 角 比 m一1时 小 ， 从而与来流有着较大的负冲角 ， 冲击损失大造成 较大范 围低压区。 由上述模拟结果 可知， 2种重叠 系数的压缩单 元叶片表面 的压力在各 种含气率下分布 都 比较均 匀， 能为两相流体在含气率宽广范 围内变 化时提供 压 力 能 。 4 ． 2 叶 片表 面速 度分析 图 4 ～5分别为 当含气率 a 一0和 a 一0 ． 5时， 2 种重叠系数下叶片工作面及背面上速度矢量分布情 况 ， 左 边 为工作 面 ， 右边 为背 面 。 h， H l 图 4 。 一0时 叶片工作 面及背 面速度矢量 。 ． 搿 巷 b ， n 1 图 5 一0 ． 5时叶片工作面及背 面速度矢量 由叶片工作面及背面速度矢量分布可知， 上游 来流流体对 叶片的头部靠近轮毂处 的冲击较小 ， 在 靠 近轮 缘处 造 成 的 冲 击 较 大 ， 且 重 叠 系 数 一 1时 的叶片头部产生的冲击范围比 m1时大 。原 因是 在设计时为使 叶轮能够适应较 大范 围内含 气率变 化， 尽量减少气液分离的发生 ， 在其进 口边进行了后 掠修圆处理口 。模拟结果显示 ， 这种形式能在一定 程度上减少对叶片头部的冲击。在叶片头部轮缘处 的冲击大有 2 个原 因 一是过渡段流出的流体在靠 近外 壁面 处受 到外 壁边界 层 的影 响 ， 轴 向速 度较 小 ， 实际来流相对液流角小于叶片外缘相对安放角 ； 二 是叶轮轮毂沿轴向存在半锥角， 叶轮段的过 流断 面 面积沿着轴向逐渐减小 ， 在流体进入叶轮流道后会 受到轮毂部的流体 向外的排挤作用。在叶片背面轮 缘处 1的中部， m一1的尾部速度 明显较大 ， 由 于叶片周期性的影 响， 这 2个部位刚好是相邻 叶片 在轴线方 向所对应 叶片头部 的位置 ， 由前面分析知 这是 由于相邻叶片工作面上 的外缘速度较大而对其 产 生 的影 响所 致 。之所 以重 叠 系 数 Ⅲ一1的叶 片 头 部产 生 的冲击 范 围 比 m 1的大 ， 是 由 于二 者 的后 掠角不同， 前者大于后者。 尽 管 在 叶 片 的表 面上 会 产 生 一定 的冲 击损 失 ， 但在各含气率下 ， 2种重叠系数 的叶轮无论是工作 面还是背面其速度 分布都 比较均匀 ， 流动情况 比较 理 想 。 4 ． 3 叶轮扬 程及 水 力效率 的预 测 混输泵的扬程是指泵出 口和泵人 口之间单位质 量 流体 的能 量差 ， 用 H 表 示 为 H 一 1 --X HI H 6 式 中， 为单位时间 内流过泵的气体与气液混合物 的质量 比， 即 P g Qg ， ～ 一 其 中， Ql Q 1 ～ G Q 一 Q G F 式 中， Q为单位时间内流过泵的气液混合物的流量 。 对 于水 平放 置 的气液 混输 泵 ， 则 H 一 二 2 2 8 p l g zg H 一 9 p gg ￡g 式 中， 为介质速度 ； g为重力加速度。 在上式 中， 下标 g 、 1 分别表示气相和液相 ， 下标 i n 、 o u t 分 别表 示泵 进 口和 出 口。 C ◆ 。 Ⅵ ． _ 赣趱簟■●隧 疆 l{ ml h n、 毓 譬 - 露 a 第 4 O卷第 6期 马希金 ， 等 油气混输泵 叶轮 叶片重叠 度数值模 拟 考虑叶片数为 4 ， 得叶轮的水力效率为 r ／ ． 一 ㈣ 一 式中， M 为叶片正面、 叶片背面和轮毂表面受到 的 绕旋转轴的力矩之和； p n为混合物的密度 ， 即 ⋯ 2 种重叠系数下效率与含气率关系曲线如图 6 所示。由图 6可 以看出 2种重叠 系数 的效 率均随 着含气率的增加而降低 ， 但 m 1的叶轮效率明显 高于 m一1时的效 率， 这是 由于前者的弦长大于后 者 ， 流道 比较长 ， 对流体 的束缚能力也强 ， 叶轮传递 给流体的能量就 比较多 ， 所 以效率高于后者。 图 6 效率 与含气率关 系曲线 2种重叠系数下相对扬程与含气率关 系曲线如 图 7所 示 。 由图 7可 以看 出 二者 的相 对 扬 程 都 随 着含气率的增大而降低。在相 同的含气率下 ， 1 时的相对扬程大于 m一1时的情况 ， 这表明在 同种 含气率下前者有着较大的增压性能。在相对扬程相 同时， 1的含气率大 于 m一1的含气率 ， 这 表明 在保证同样增压性 能的条件下 ， 重叠系数大的叶片 更能适应含气率在较大范围内变化。但重叠系数越 大 ， 叶片 也越 长 ， 除 了 引起 叶片 的 沿 程 阻力 增 加 外 ， 叶片对流体的排挤 能力也随着增加 ， 这将会造 成损 失的增加 ， 降低整机效率。 f 图 7 相对扬程 与含气率关系曲线 5 结论 1 通过对 2种不同重 叠系数 的内部流动 情况和外特性分析知 ， ml时整机性 能无论是 效 率还是对流体的增压能力均大于 m一1时的性能。 2 对叶片头部倒圆和叶片进 口边后掠修圆处 理 ， 减小了叶片头部冲击损失 ， 有效降低了高含气率 工况时的气液分离程度。 3 叶片重叠系数越大 ， 流体流动的稳定性越 好 ， 流体从叶片获得的能量越大 ， 但是大的重叠系数 也会引起沿程 损失的增加和加剧对 流体 的排挤程 度。因此在设计叶片时 ， 不可片面地过于追求大 的 重叠系数 ， 应该兼顾效率与增压性能。 参考文献 [ 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