动叶片重叠系数对油气混输泵效率的影响.pdf

201 1正 第 5期 第 4 0卷 第 1 7 页 石 油矿 0I L FI ELD 场 机械 EQUI PMENT 文 章 编 号 1 O 01 3 4 82 2 01 1 0 5 0 01 7 04 动叶片重 叠系数对 油气混输泵效率的影 响 马希金 ， 刘高博 ， 胡忠辉 ， 雷 盛 ， 李新 凯 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 应 用 Fl u e n t流场模 拟软 件对 轴流 式油 气混输 泵在 不 同的动 叶片重 叠 系数 和 不 同含 气率 下进 行 流场模 拟 ， 得 出其 动叶 、 静 叶压 力场及速 度 分布 ， 进 而得 到 不 同工 况 下整 机 效率 及 扬程 曲线 。动 叶片重 叠 系数 大 于 1的 整机效 率 明 显 高 于动 叶 片 重 叠 系数 等 于 1的整 机 效 率 。为 了提 高整 机 性 能 ， 应选择 动叶 片重 叠 系数 大于 l 。 关键 词 动 叶 片重 叠 系数 ； 压力 分布 ； 速度 分布 ； 含 气率 ； 整机 效 率 中 图分类号 TE9 3 3 。 3 文献标 识 码 A Ef f e c t o f M o v i n g Bl a d e Ov e r l a pp i ng Co e f f i c i e n t s O i l Oi l - Ga s M i x t u r e Pu mp’ s Ga s Tr a n s po r t Pe r f o r ma n c e MA Xi 一 ] i n， I I U Ga o b o ， HU Z h o n g h u i ， LE I S h e n g ， LI Xi n k a i C o l l e g e o f Fl u i d Po we r a n d Co n t r o l ， J a l z h o u Un i v e r s i t y o y T e c h n o l o g y， La n z h O H 7 3 0 0 5 0 ， C h i n a Ab s t r a c t U s i n g Fl ue nt c o m pu t a t i o na l f l u i d d y na mi c s s of t wa r e ， t he p r e s s ur e f i e l d a nd v e l o c i t y d i s t r i b ut i on o f mov i ng a nd s t a t i c b l a de a r e d e r i v e d b y f l o w f i e l d s i m u l a t i o n a t o v e r l a p p i ng c oe f f i c i e n t o f d i f f e r e nt mov i n g bl a d e a n d d i f f e r e nt a i r v oi ds， a n d t he o ve r a l 1 e f f i c i e nc y c ur v e a r e s ho wn a t d i f f e r e n t wo r ki n g c on d i t i o n． Th e r e s ul t s s ho w t ha t t he o v e r a l l e f f i c i e nc y o f pu m p i s hi g he r t ha n t he c oe f f i c i e nt o f e q u a l t o 1， wh e n t he o v e r l a p pi n g c o e f f i c i e nt o f mo vi n g bl a d e i s g r e a t e r t ha n 1 ． The r e f o r e， t he o ve r a l l e f f i c i e nc y o f t he pump i s i mpr o v e d by u s i ng t he o v e r l a p pi ng c o e f f i c i e n t i s gr e a t e r t ha n 1 ． Ke y wo r ds mo vi ng b l a d e o ve r l a p pi ng c o e f f i c i e nt s； p r e s s u r e d i s t r i b ut i o n； ve l o c i t y d i s t r i bu t i o n； a i r v o i ds o ve r a l l e f f i c i e n c y - 4 结 论 1 有 限元分 析 结 果 表 明 ， 深水 管 柱 力 学 实验 缸旋转 支撑 机构最 危 险处所 受的应 力远 低于 材料 的 屈服极 限 ， 可以判定 该 卡箍具 有安全 可靠 性 。 2 实 验缸组 装完 成后 ， 顺利进 行 了 吊装 ， 并 向 实验缸 内注入 水 ， 表 明旋 转 支 撑 机 构 可 以承 受 实验 缸 的重 力 。 吊装后 使 用 摆 动油 缸 推 动 卡 箍 ， 使 实 验 缸在水 平与竖 直方 向之 间 可 以安 全 转 动 ， 表 明 该 卡 箍能够满 足深 水管 柱力学 实验 的要 求 。 3 在旋 转支撑 机构 两端 耳轴 与卡箍 筒 的连接 处焊 接加 强筋 ， 可 以保 证实 验缸 长期使 用 。 参 考 文 献 [ 1 ] 侯福祥 ， 王辉 ， 任荣权 ， 等． 海 洋深 水钻井关键技 术及 设 备 [ J ] ． 石 油 矿 场 机 械 ， 2 0 0 9 ， 3 8 1 2 1 - 4 ． [ 2 ] 兰洪波 ， 张玉霖 ， 菅志军 ， 等． 深 水钻井 隔水管 的应 用及 发展趋势[ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 8 ， 3 7 3 9 6 9 8 ． [ 3 ] 成大先． 机械设计手册 [ K] ． 4版． 北京 化学 工业 出版 社 ， 2 0 0 2 ． [ 4 ]刘鸿文． 材料力学[ M] ． 北 京 高等教育出版社 ， 2 0 0 4 ． [ 5 ]赵海峰 ， 蒋 迪． AN S YS 8 ． 0工程 结构实 例分析 [ M] ． 北 京 中 国铁 道 出 版 社 ， 2 0 0 4 ． 收 稿 日期 2 0 1 0 1 卜1 8 基 金项 目 甘 肃 省 科 技 攻 关 项 目 GK9 5 4 3 1 1 作者简介 马希金 1 9 5 8 一 ， 男 ， 山西夏县人 ， 研究 员 ， 从事流体机械方面的研究 。 石油矿场机械 2 0 1 1年 5月 油气混输 泵在 输送 气 液 混合 物 时 ， 气 泡 的运 动 情况对 泵 的性 能有很 大影 响。随着气泡 在泵 中叶轮 内聚集 的情况不 同 ， 可能 造成泵 效率下降 ， 甚 至使泵 的运行 不 稳 定 或 产 生 断 流 。 以 YQH 一 1 0 0型多 级 油气混输 泵为研 究 对 象 ， 分析 在不 同动 叶片 重叠 系数下 ， 不 同含气率 对油气 混输泵效率 的影 响 ] 。 1 动叶片重叠 系数 压 缩 级动 叶 的设计 采 用奇 点分 布 法 ， 压缩 级 静 叶 的设 计采用 流线 法 ， 通 过 对不 同动 叶片 重叠 系数 在 不 同含气率 下压缩级压 力 、 速度 的模拟 分析 ， 得 出 其 对效率 的影响 。选 用 YQH 1 0 0型 多级 油气 混输 泵 为样机进 行分析 ， 流量 1 0 0 m。 ／ h 、 扬程 8 5 m、 转速 2 9 5 0 r ／ rai n 、 轴功率 5 5 k W、 含气率 0 ～0 ． 8 、 效率 3 3 、 动 叶轮 叶 片 数 4 、 静 叶轮 叶 片 数 9 、 单 级 增压 0 ． 1 40 ． 4 MP a 、 级数 5级 。 1 轴 流 式 气 液 两 相 流 泵 的 扬 程 预 测 公 式为 H 一xH 1 ～ H， 】 式 中， H 一 二 丛 z 一Z ， p l g g H 1 d p Q 五 Q Q】 p 式 中 ， H 为 扬 程 ， m； 为 气 相 质 量 含 气 率 ； P为 压 强 ， P a ； V为 流体 速度 ， m／ s ； Z为 到 任意测 量基 准面 的高程 ， m； g为 重力 加速 度 ， m／ s ； 下 标 q 、 1 分别 表 示气 相 和液 相 ； 下标 m 表示 气 液 2相流 泵扬 程 ； 下 标 1 、 2分别表 示泵 的进 口和 出 口。 2 效率预 测 一 2 一 I _ 式 中 ， H 为 混熟 泵扬 程 ， m； M 为 动量 ， N m； 为 转速 ， r ／ mi n ； ∞ 为质量 流量 ， k g ／ s ； 一q p g q 』 D “ g； q 和 q “ 分别 为气相 、 液 相体积 流量 ， m。 ／ s 。 3 重叠 系数 表 明叶片 的重叠 程 度 。m 1 时叶片 相互重叠 ， m1和 m1两种 情况 下 不同含气率 的动 叶片 、 静 叶片压 力场 和速 度 矢量进 行 了流场模拟 ] ， 模拟结果 如图 2 ～5所 示 。 第 4 0 卷 第 5 期 马希金 ， 等 动IJ 1 ‘ 片重叠系数对油气混输泵效率的影响 l 9 a 动 叶片背 面和工作面 m1 ⋯ } 1 j争 。 | j 一 动叶片背【 f II 和 1 作⋯ 1 静叶片背而和T作 而 m1 _≮ J Y d 静 叶 片 背 【f i l 和 1 - 作 ， n 1 图 3 2种重替系数含气率为零时叶片表面速度 矢量分布 石 油 矿 场 机 械 2 0 1 1年 5月 b 动 叶片 背面 和 移 、 _ r 作 嘶 ，”1 -t 臻 ≮ d 静 叶 片 背 面 和 工 作 面 Ⅲ 1 图 5 2 种重叠系数含气率 0 ． 5时叶片表面速度矢量分布 3 ． 1 静 压力 由图 2 、 图 4可 知 ， m 1的动 叶 片背 面 前 端有 着较 大范 围的低 压 区， 工 作 面的 尾部 压 力分 布较 不 均匀 ， 压力梯 度较 大 ， 而且压 力梯度 随着含气率 的增 大而增 大 。2种重 叠系数 下动 叶工 作面 的静压 均成 径 向 分布 ， 而且 半 径 越 大 ， 静 压 力越 大 。各 含 气 率 下 ， 动 叶背面 的压 力均沿 轴 向分 布 ， 静 叶背 面 的压力 低 于工作 面压力 ， 静 压压 力 沿 叶片 方 向的 压力 梯度 随着含气率 的增大 而 减小 。m 1时压力 沿 静 H 十 片 背 面分 布 均匀 ， m一1时静 叶 片 背面 中部 在低 含 气 率 时靠近轮 毂和轮缘 处 出现 压力陡增 的 2个 区域 。 3 ． 2叶片表 面速度 由图 3 、 图 5可知 ， 流体对 叶片 叶根部 的冲击较 小 ， m一1 的 动叶片 头部产 生 冲击 的范 围 比 1时 大 。受 叶片周 期 性 的 影 响 ， 动 叶 片 重叠 系数 m 1 时动叶 片背面轮缘 处 的中部及 重叠 系数 m一1时动 叶片轮缘处 尾部 速 度 明显较 大 。受 到前 、 后 级不 同 设计 参 数 动 叶 片 的影 响 ， 1时静 叶 片 背 面产 生 了径 向漩 涡 ， 头部 的 流动 冲击 小 ， 工 作 面流 动混 乱 ， 尾部 轮缘受 到下级 动 叶速 度 较大 的 冲击 ， 通 过 叶片 头部 的轮毂处 形成 一股 强 列 的射 流 ， 沿 叶根部 逆 流 而上 ， 进 入动 静叶 轮之间 的过 度段 ， 从 而对过度段 流 动情况造 成一定 的影 响 。埘1的静 叶片 背 面产 生 了轴 向漩 涡 ， 头部 冲击 比较 大 ， 叶片上作 而 由于没 有 受到 下级动时头 部的 冲击 ， 流 动 比较均 匀。 3 ． 3 外特 性 对数值模 拟 的分析 得到整机 的效 率 曲线如 图 6 所 示 。 3 i 蔌{ 舍气 t- u ％ 图 6 2 种重叠系数整机效率与含气率关系 曲线 由 图 6看 出， 2种重 叠 系数 的效 率均 随 着含气 率 的增加而 降低 ， 但 重叠 系 数 l的动 叶效 率 明 显 高于重叠 系数 一l 时 的效率 。在 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 。当然 ， 重 叠 系数取 得 过大 就会造 成 损失 的增 加 ， 降低整 机效率 。 4 结论 1 不 同重叠系数 的压缩级 动叶表面 的压 力在 各种含气率下分布都 比较均匀， 静叶片背面压力分 布有 差异 ， 1 时静压分 布较均匀 。 2 各含 气率 下不 同重 叠系数所对应 的动叶 面 速度 分布都 比较 均 匀 ， 流动情 况 比较 理想 。静 叶片 表面 的速度 变化不大 ， 但流动损 失较大 ， 是 能量损失 的主要部位 。 3 通 过对不 同重 叠系数 的内部流动情 况和效 率 分析知 ， 1时整 机 的效 率 大 于 ml的效率 ， 所 以整机模型采用 动 叶片重 叠系数 1的结 构。 参 考 文 献 [ 1 ] 郑俐丹 ， 赵 宏 ， 薛敦松． 油气多相 混输 泵的最新研制 进展E J 3 ． 水泵技术 ， 2 0 0 1 3 1 5 1 9 ． E 2 3 邵双林． 摆动转子式油气混输泵 的应用与维护 r J ] ． 石 油 矿 场 机 械 ， 2 O 1 o， 3 9 9 9 2 - 9 4 ． [ 3 ] 薛敦松， 朱宏武． 螺旋轴流式油气多相泵的应用[ J ] ． 石 由矿 场机 械 ， 1 9 9 7 3 3 7 4 1 ． [ 4 ] 黄 思， 李汗强 ， 班耀涛 ， 等． 叶片式气液混输泵扬程的 一 种估算方法[ ．1 ] ． 石油机械， 1 9 9 9 ， 2 7 9 1 2 ， 1 3 - 2 6 ． E s ]李清平 ， 薛敦松 ， 朱宏武， 等． 螺旋轴 流式多相泵的设计 与实验研究E J ] ． 工程热物理学报 ， 2 0 0 5 ， 2 6 1 8 4 8 7 ． [ 6 ]马希金 ， 曲鑫 ， 肖兴均， 等． 轴流式油气混输泵 叶片的 三维建模 _ ．7 ] ． 排灌机械， 2 0 0 8 1 1 5 1 7 ． [ 7 ] 壬 桃 ， 严 敬． 基于水利设t { 的轴流泵叶片的三维建 模方法[ J ] ． 兰州理工大学学报 ， 2 0 1 0 3 6 9 ～ 7 2 ． [ 8 ] 王瑞金 ， 张 凯 ， 王 刚． F l u e n t 技术基础 与应用实例 [ M] ． 北京 清华大学出版社 ， 2 0 0 7 ． [ 9 ] 李清平． 螺旋轴 流式多相泵原理机设 计初探及其 内部 气液 两相 流 动 的 维 数 值 分 析 [ D] ． 北 京 石 油 大 学 ，1 99 8 ．