基于正交试验的油气混输泵叶轮结构参数优化.pdf

2 01 2 焦 第 3期 第 4 1卷 第 4 3页 石油 矿场 机 械 OI L F I E LD E QUI P MEN T 2 0 1 2。 4 1 3 4 3 ～4 7 文 章 编 号 1 0 0 1 3 4 8 2 2 0 1 2 0 3 0 0 4 3 0 5 基于正交试验的油气混输泵 叶轮结构参数优化 赵万 勇， 杨登峰 ， 王钊 ， 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 以 YQH 1 0 0型油气混输泵效率为优化 目标， 引入正交试验法对叶轮 4种参数进行改变并重 新 配置， 设计了一个 4因素 3水平的正交方案并得到 9种不同模型。采用标准 e双方程模型结合 S I MP L E C算法， 对各种不同结构组合进行数值模拟分析， 得到最优方案； 通过对数值计算的数据 进行极差分析， 获得 了 4个几何参数对效率的影响主次顺序 ， 并得 出了最优设计组合。 关 键 词 油气混输 泵 ； 正 交试 验 ； 数 值模 拟 ； 优 化设 计 中 图分 类号 T E 9 6 4 文献标识 码 A Op t i mi z a t i o n De s i g n o f M u l t i p ha s e Pu m p Ba s e d o n Or t h o g o n a l De s i g n ZH AO W a n y on g， YANG De n g f e n g， W ANG Zha o， LI Xi n ka i S c h o o l o f E n e r g Y a n d P o w e r E n g i n e e r i n g， L a n z h o u U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y， L a n z h o u 7 3 0 0 5 0 ， C h i n a Ab s t r a c t Ba s e d o n t h e e f f i c i e n c y a s o p t i mi z e d o b j e c t o f t h e YQH一 1 0 0 Ga s o n mu l t i p h a s e p u mp， t h e o r t h o g o n a l e x p e r i me n t a l d e s i g n wa s u s e d t o c h a n g e a n d r e c o n f i g u r e t h e i mp e l l e r f o u r p a r a me t e r s ， d e s i g n e d a n o r t h o g o n a l s c h e me wi t h f o u r f a c t o r s a n d t h r e e l e v e l s ． Th e s c h e me c o n f i g u r a t i o n g e t s n i n e d i f f e r e n t mo d e 1 ． Ad o p t t h e s t a n d a r d d o u b l e e q u a t i o n wi t h e t u r b u l e n c e mo d e a n d t h e S I M PLEC a l g o r i t hm t o c o nd uc t nu me r i c a l s i mu l a t i o n a n d a na l y s i s f or v a r i o us s t r u c t u r a l s c he me s， a n d g e t t he be s t s c h e me ．Us i ng t he r a ng e a n a l y s i s t o t he n ume r i c a l d a t a， t he i n f l u e nc e o r de r s o f t h e e f f i c i e n c y c a n b e g e t ． a n d a t l a s t we g o t t h e b e s t d e s i g n c o mb i n a t i o n ． Ke y wo r d s g a s o n mu l t i p h a s e p u mp ； o r t h o g o n a l t e s t ； n u me r i c a l s i mu l a t i o n； o p t i mi z a t i o n d e s i g n 随着世界经济 的发展 ， 各国对石油和天然气 的 需求 日益增加 ， 陆上边际油田、 沙漠油田的开发特别 是海上油田的开发成为许多石油生产国关注和研究 的重点。国内外对油气混输泵做 了很多 的研究 ， 叶 轮作为油气混输泵 的核心部件 ， 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_ 1 ] 。 目前对混输泵 的设计有 2种 一是从混输机理 出发进行设计 ， 例如余志毅、 曹树 良等[ 5 提出的正反 问题迭代的混输泵叶轮水力设计 ； 二是从优化理论 出发， 利用好的优化方法对已有混输泵进行优化 。 优化方法是工程设计的发展方向， 本文从优化 设计理论出发 ， 以混输泵效率为优化 目标进行优化 ， 根据 L 。 3 正交试验表建立试验方案 。通过 F L U E NT数值计 算得 到试验方 案 的效率 ， 并 将 F L U E NT预测得到的混输泵效率代入正交试验表中， 得 到混输泵叶轮优化参数的最佳组合 。 1 正交试 验设计及 因素水 平确定 本文 以 YQH一 1 0 0型油气混输泵为研究对象 ， 改变 4种结构参数重新进行结构分配进而得到 9 种 不同参数的混输泵模型， 利用 P r o ／ E软件对其进行 三维建模 ， 并采用正交表 L 。 3 即 4因素 3水平需 作 9 次试验。本文选取的优化参数有 叶轮进 口轮 毂 比 h 、 轮毂半锥角 y 、 叶轮轮缘处叶栅稠密度 、 收稿 日期 2 0 1 1 一 O 9 2 3 作者简介 赵万勇 1 9 6 2 一 ， 男 ， 甘肃武威人 ， 教授 ， 硕 士研究 生 ， 主要从 事流体 机械 方面 的研 究 ， E ma i l d f q i u c h o n g 1 2 6 corn o 石油 矿 场机 械 2 0 1 2 年 3 月 叶轮轮缘处翼型安放角 。根据 L 。 3 正交试验表 建立试验方案， 因素水平取值如表 1 。混输 泵增压 单元 如 图 1 。 表 1 正交试验设计因素水平取值 图 1 混输泵增压单元 2 F L U E N T数值计算 2 ． 1 模型 建立 及 网格划分 马希金 、 邵莲等 通过计算模拟得 出， 7 9 1翼型 比较适合油气混输泵内部流动的要求。为节省模拟 计算时间及节省计算 机资源 ， 本文采用单通道流场 进行模拟 ， 取 1 ／ 4的流道包 围叶片实体做为流场模 型。分割面处设置为周期性边界， 通过单通道模型 与叶轮全流场模型进行数值模拟对 比， 数值计算结 果基本一致。 对不同试验方案采用相 同的建模及网格划分方 法 ， 由计 算 结 果 知 当 网格 数 从 3 6 2 1 4 6 减 少 到 2 4 4 5 0 6 时 ， 计算结果 的变化 已经很小， 但计算时间 却大幅减小。为减少计算时间， 本文取 2 4 4 5 0 6网 格数并采用混 合 网格技术进行 网格划分 。叶轮轮 毂 、 轮缘及叶片表面采用边界层网格 ， 叶片进出 口处 分别设置密度盒进行 网格加密 。混输泵叶轮单通道 模型及网格划分如图 2 所示。 图 2 混输泵叶轮单通道模 型及 网格划分 2 ． 2 湍流模 型 流场模拟时 ， 液相为水 ， 气相为空气。紊流计算 采用标准 ￡ 模型封闭 NS方程 。 2 ． 3两相流 模型 采用 Mi x t u r e 模型假设泵中的两相流为气泡均 匀分 布于 液 流 中 ， 考 虑 到 B o u s s i n e s q涡 粘 性 模 型 ， 油气两相流的基本控制方程组表示如下 连 续方 程为 p k a k Wk ， 一0 4 J 动 量方程 为 杀 a k P k 训 叫 kJ 一 一 a k 差 M k ⋯ c 一 ] 式中， P为密度 ， k g ／ m。 ； 为压力 ， P a ； W 为相对速 度 ， m／ s ； f分 别包 含离 心力 和 科 氏力 ， N； 为 等效 黏性系数 ； 为分子黏性系数 ； 为 k相体积分数 ； M 为相 间作 用力 ， N 对 于 泡状 流 ， 主要 考 虑 阻力 和 附加质 量力 。 在以上各式中， 下标 k代表任意一相 液相或气 相 ， i 和J分别代表横坐标及纵坐标方向。 2 ． 4 离散 方法及 边界 条件 采用有限体积法对控制方程进行离散 ， 对流相 使用二阶迎风格式， 扩散项选用中心差分格式 ， 离散 后采 用 S I MP L E C求解 。 在 F L UE NT 中设定如 下 1 流场模拟时， 液相为水 ， 气相为空气 。在计 算域的进 口， 认为含气率均布， 两相进 口速度相同， 紊动能和耗散率根据液相速度按下式给定， 即 k i 一0 ． O 0 3 u ， e 一C 忌 i3 ／ 。 ／ l i 式中， z 为进口区的混合长度， 并假定为进 口处 当量 直径的 0 ． 0 1 5 倍 。 2 出口边界条件为 o u t f l o w， F l o w R a t e We i g h r i n g为默认值 1 。 3 壁面条件为 流动边界采用无滑移固壁条 件 ， 并使用标准壁面函数法确定固壁附近流动I 8 ] 。 对试验模型 1 ～9按相同的网格划分及数值计 算方法进行数值计算 。计算得到气体体积含气率为 1 O ％工况下的效率 ， 计算结果如表 2 。 3正交试 验结果分析 将数值计算得到的所有试验方案的效率 如表 2所示 作为试验的考查指标。通过直观分析 方案 9 效率最高， 且方案 9的增压不低于设计工况， 因为 本优化只针对效率， 在增压不低于设计工况 的情况 下对增 压不 予考 虑 。 3 ． 1极差 分析 极差分析法是处理正交试验数据的一种方法 ， 它是通过计算质量指标的极差值找出最优方案。极 差值越大 ， 说明该因素的水平变化对质量指标的影 响越大 、 该因素越重要 。表 3为对于设计工况下效 率的极差分析表_ 7 ] 。根据极差的大小可判断出各因 素对 于设计 工况下 效率影 响 的主次 顺序 为 p h t ， 根据指标平均值大小得出对于设计工况下效率 最优方案为 A方案 即， h 一0 ． 6 5 ， y 一6 ． 0 ， 一1 ． 6 ， 一1 0 ． 0 。与之前通过直观分析得出的方案 9比较 ， 要确定设计工况下效率最优设计组合， 还需要通过 数值计算进行 比较 。 表 3设计工况下效率极差分析 3 ． 2 再设计及分析计算 对 A方案进行模型设计并采 用与上述相同的 网格划分及数值计算方法。数值计算结果显示 其 设计工况下的效率为 0 ． 3 7 0 3 5 ， 低于在设计工况 点下的效率 ， 所以最终确定方案 9为最优方案。 4 数值模拟优化结果分析 本文对优化后得到的最佳参数水平组合， 按上 文中的建模及网格划分方法进行数值模拟 ， 并与优 化前混输泵比较 。限于篇 幅， 本文现只列出含气率 为 1 0 9 ／ 6 时 的情 况进 行 比较 。 4 ． 1 数值 模拟 对 比结果 数值模拟对 比结果如图 3 ～7所示 。 a 优化前 b 优化后 图 3 优化 前后 叶片压力 面静压云 图 9 9 ； 臻 墨 蠹 嚣避 H ∞ 回 ” 2 O1 2正 第 3 期 第 4 1卷 第 4 7页 石油 矿 0I L FI ELD 场 机械 E QU I P ME NT 2 0 1 2 ， 4 1 3 4 7 ～5 0 文 章 编 号 1 0 0 1 3 4 8 2 2 0 1 2 0 3 0 0 4 7 0 4 聚驱定向井抽油杆受力与变形计算 刘 辉 ， 彭 朋 1 ． 大庆油 田有 限责任公 司 第五采油厂 ， 黑 龙江 大 庆， 1 6 3 5 1 3 ； 2 ． 东北石油大学 ， 黑龙 江 大庆 ， 1 6 3 3 1 8 摘要 在分析聚驱定向井抽油杆的受力并给 出悬点载荷计算方法的基础上， 应用结构力学的方法推 导了考虑径向力的作用情况下抽油杆的挠度计算公式， 并给 出了杆管偏磨 的判别方法以及扶 正器 的优化设计方案。根据聚驱定向井悬点载荷计算模型得出的计算值， 与实测载荷值相比， 悬点最大 载荷 与 最 小载荷 的平均误 差均 1 0 。通 过现 场 实际应 用 ， 大 幅延长 了检 泵周期 ， 减 少 了油 井维护 的工作 量。 关键 词 聚合物 驱 ； 定向 井 ； 受 力分析 ； 偏 磨 ； 应 用研 究 中图分类 号 TE 9 3 3 ． 2 0 2 文献标识 码 A Fo r c e a n d Tr a ns f o r ma t i o n o f S u c k e r Ro d i n Po l y me r Fl o o d i n g Di r e c t i o n a l W e l l LI U H u i ， PENG Pe ng 1 ． No ． 5 Oi l Re c o v e r y Pl a n t ， Da q i n gOi l f i e l d C o ．， Lt d ．， Da q i n g 1 6 3 5 1 3， Ch i n a； 2 ． No r t h e a s t Pe t r o l e u m Un i v e r s i t y， Da q i n g 1 6 3 3 1 8 ， Ch i n a Ab s t r a c t Ba s e d o n t h e a n a l y s i s o f s t r e s s e x e r t e d o n t h e b u c k e t r o d s a n d p r o v i d i n g t h e c o mp u t a t i o n a l me t h o d o f t h e l o a d i n g o n t h e p o i n t o f s u s p e n s i o n， u t i l i z i n g t h e me t h o d o f s t r u c t u r a l me c h a n i c s d e r i v e s t h e f o r mu l a o f b e n d i n g d e f l e c t i o n， c o n s i d e r i n g t h e e f f e c t o f r a d i a l f o r c e ， mo r e o v e r ， d i S t i n g u i s h i n g me t h o d o f e c c e n t r i c we a r a n d t h e o p t i mi z a t i o n me t h o d o f c e n t e r i n g d e v i c e a r e a l s o p r o v i d e d ． Ac c o r d i n g t o t h e c a l c u l a t e d v a l u e ， wh i c h wa s o b t a i n e d b y u s i n g t h e l o a d i n g c o mp u t a t i o n a l mo d e o f t h e p o i n t o f s u s p e n s i o n o n t h e d i r e c t i o n we l l wh i c h u s i n g p o l y me r f l o o d i n g， c o mp a r e s t o t h e me a s u r e d v a l u e ， t h e a v e r a g e e r r o r o f ma x i mu m a n d mi n i mu m l o a d o f p o l i s h e d r o d l o a d i s l e s s t h a n 1 0 ， i t c a n e x t e n d t h e c i r c l e o f p u mp i n s p e c t i o n s i g n i f i c a n t l y a n d r e d u c e t h e wo r k i n g c a p a c i t y o f o i l we l l ma i n t e n a n c e b y t h e a p p l i c a t i o n i n t h e f i e l d ． Ke y wo r d s p o l y me r f l o o d i n g； d i r e c t i o n a l we l l ； f o r c e a n a l y s i s ； e c c e n t r i c we a r ； a p p l i c a t i o n s t u d y [ 3 ] [ 4 ] r- s ] 马希金 ， 刘高博 ， 胡忠辉 ， 等 ． 动叶片重叠系数对油气混 输泵效率 的影 响[ J ] ． 石油矿场机 械， 2 0 1 1 ， 4 0 5 1 7 2O ． 邵 双林． 摆动转子式 油气混输 泵的应 用与 维护[ J ] ． 石 油矿场机械 ， 2 0 1 0 ， 3 9 9 9 2 9 4 ． 余志毅 ， 曹树 良， 彭 国义． 运用正反 问题迭代 法进行 叶 片式油气混输泵叶轮的水力设计[ J ] ． 机械工程学报， 2 O0 6， 4 2 4 1 O 8 11 2 ． C 6 3 马希金 ， 邵莲 ， 曲 鑫 ， 等． 油气混输泵叶片参数 匹配 的优化 E J ] ． 西华 大学学 报 自然科学 版 ， 2 0 0 9 ， 2 8 2 6 3 - 66 ． V 7 ] 王春林 ， 刘红光 ， 司艳雷 ， 等． 基于正交设 计法的旋流 自 吸泵泵 体 结 构 优 化 [ J ] ． 排 灌 机 械 ， 2 0 0 9 ， 2 7 4 2 24 22 7． L 8 ] 马希金 ， 胡忠辉 ， 周贯五． 油气混输 泵叶轮 叶片重 叠度 数值模拟[ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 1 1 ， 4 O 6 5 3 5 7 ． 收稿 日期 2 0 1 1 - 0 9 ～ 1 4 作者简介 刘 辉 1 9 8 3 一 ， 男 ， 黑龙江安达人 ， 主要从 事油田机采管理工作 ， E - ma i l l i u h u i 5 c p e t r o c h i n a ． c o m． c n 。