螺旋軸流式多相泵長(zhǎng)短復(fù)合靜葉優(yōu)化設(shè)計(jì)

馬希金，崔生磊，張亞瓊，張 潮

(蘭州理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

自然界及工程中的絕大部分流體都是多相流，與單相流相比，多相流的流動(dòng)特性要復(fù)雜的多。實(shí)際中，很多油田存在油氣共生現(xiàn)象，多相流泵在石油工業(yè)中的應(yīng)用日漸受到重視[1-2]。近年來(lái)，在海底油田開發(fā)采用油氣混輸技術(shù)，利用多相泵直接將油氣水的混合物泵送到陸上基站。多相混輸系統(tǒng)中的核心部件多相泵，替代原先的氣液分流輸運(yùn)設(shè)備，通過一個(gè)管道將多相混合物送到中心處理系統(tǒng)。如此將大大減少一整套繁雜的分離設(shè)備和管路系統(tǒng)。對(duì)于油氣含量高的油井，由于降低了背壓，產(chǎn)量明顯增加，提高了油田開發(fā)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益。這不但降低了基建投資，而且減少了開發(fā)管理經(jīng)費(fèi)[3-4]。近年來(lái)，國(guó)外葉片式多相泵以韓國(guó)漢陽(yáng)大學(xué)研制的螺旋軸流式多相泵最為成功[5-6]。這種多相泵使用拉丁超立方體技術(shù)從多個(gè)變量中抽樣選取最佳參數(shù)的方式優(yōu)化變量，從而達(dá)到優(yōu)化的目的。國(guó)內(nèi)葉片式多相泵以中國(guó)石油大學(xué)、蘭州理工大學(xué)的螺旋軸流式多相泵為代表，目前依然處于推廣階段。與國(guó)外同類產(chǎn)品的技術(shù)參數(shù)相比，水力效率還有一定差距。

本文采用馬希金等[7-11]提出的螺旋軸流式油氣混輸泵的設(shè)計(jì)方法，以YQH-100混輸泵為基型，結(jié)合誘導(dǎo)輪軸向長(zhǎng)度的確定方法，設(shè)計(jì)出新的動(dòng)葉和不同長(zhǎng)短靜葉葉片數(shù)的復(fù)合靜葉構(gòu)成增壓?jiǎn)卧?；采用相同?級(jí)增壓?jiǎn)卧?，在不同進(jìn)口流量以及不同含氣率的工況下，研究其內(nèi)部流動(dòng)；理論上，葉片的軸向長(zhǎng)度影響葉片的軸向扭曲程度，對(duì)多相泵的增壓效果、氣液分離程度以及效率有重要的影響。長(zhǎng)短復(fù)合靜葉其優(yōu)勢(shì)在于降低混合流體流入靜葉流道時(shí)由于排擠而造成的能量損失。由于較大的氣囊狀流使得過流通道形狀變得狹小，流體局部速度增大導(dǎo)致局部壓力增大；因此，長(zhǎng)短復(fù)合靜葉還可以有效切割較大的氣囊狀流，減少較小的泡狀流聚合，有效抑制氣液分離，提高了水力效率。

1 設(shè)計(jì)參數(shù)

本文以自主設(shè)計(jì)的螺旋軸流式油氣混輸泵YQH-100為基型，其設(shè)計(jì)流量為qV=100 m3/h，單級(jí)揚(yáng)程H=25 m，轉(zhuǎn)速n=2 950 r/min，軸功率P=55 kW，含氣率(GVF)為0～0.9，效率η=33%。增壓?jiǎn)卧脑O(shè)計(jì)過程中，考慮到葉片軸向長(zhǎng)度對(duì)增壓效果有至關(guān)重要的作用，結(jié)合誘導(dǎo)輪的設(shè)計(jì)理論[12-16]，給出螺旋軸流式油氣混輸泵增壓?jiǎn)卧~片弦長(zhǎng)、包角、葉片軸向長(zhǎng)度的確定方法，公式如下：

多相泵導(dǎo)程S=Dπtanβcy，

(1)

式中：D為葉輪輪緣直徑；βcy為輪緣翼型安放角；l/t為葉柵稠密度；z為葉輪葉片數(shù)。

倪鵬博[17]提出合理的動(dòng)靜葉軸向間距能減少沿程損失，減小流動(dòng)沖擊以及改善流動(dòng)的不穩(wěn)定性。綜合考慮增壓?jiǎn)卧獎(jiǎng)尤~與靜葉間的軸向間隙，軸向長(zhǎng)度取為75 mm。假設(shè)泵中多相流動(dòng)為氣泡均勻分布于液流中且氣泡與液流間無(wú)相對(duì)滑移的均勻流，則連續(xù)方程可表示為：

ρ(qV,g+qV,l)=ρgqV,g+ρlqV,l，

(2)

(3)

泵的增壓 Δp=p2-p1，

(4)

(5)

(6)

式中：qV，g為氣體體積流量，m3/s；qV，l為液體體積流量，m3/s；ρg為氣體密度，kg/m3，；ρl為液體密度，m3/s；Δp為泵的增壓；p2為出口位置壓力；p1為進(jìn)口位置壓力；H為泵的揚(yáng)程；g為重力加速度；η為水力效率；P為單位時(shí)間內(nèi)作用在所有葉輪上的軸功率。

2 計(jì)算模型

2.1 幾何模型及網(wǎng)格

三級(jí)增壓?jiǎn)卧獛缀文Ｐ腿鐖D1所示，包括3部分：前延長(zhǎng)段，三級(jí)增壓?jiǎn)卧?，后延長(zhǎng)段。前后延長(zhǎng)段軸向長(zhǎng)度是葉輪軸向長(zhǎng)度的3倍，動(dòng)葉輪葉片數(shù)為4。如圖2所示，3種復(fù)合靜葉葉輪的長(zhǎng)短靜葉數(shù)分別為7-7，8-8，9-9。

圖1 三級(jí)增壓?jiǎn)卧獛缀文Ｐ?/p>

圖2 3種復(fù)合靜葉

增壓?jiǎn)卧W(wǎng)格如圖3所示，螺旋軸流式油氣混輸泵計(jì)算域采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，網(wǎng)格質(zhì)量大于等于0.4；通過圖4分析對(duì)比不同網(wǎng)格數(shù)對(duì)油氣混輸泵揚(yáng)程和效率的影響，網(wǎng)格數(shù)大于250萬(wàn)時(shí)，揚(yáng)程和效率的誤差小于0.5%，因此計(jì)算域網(wǎng)格數(shù)采用352萬(wàn)7 224，滿足網(wǎng)格數(shù)無(wú)關(guān)條件。

圖3 增壓?jiǎn)卧W(wǎng)格

圖4 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

2.2 控制方程

采用純水和不可壓縮的空氣作為介質(zhì)，其中純水為主相，均勻的氣泡為第二相，假設(shè)進(jìn)口流體中水和空氣混合都為均勻的泡狀流，且同時(shí)滿足動(dòng)量守恒和質(zhì)量守恒，基本方程如下：

氣相動(dòng)量方程為：

(7)

液相動(dòng)量方程為

(8)

質(zhì)量守恒方程為：

(9)

(10)

氣體和液體關(guān)系式為

αl+αg=1。

(11)

式中：αg為空氣體積分?jǐn)?shù)；αl為液體體積分?jǐn)?shù)；μt為動(dòng)力黏度；p為壓力；ρl為液相密度；ρg為氣相密度；ul、ug分別為通過增壓?jiǎn)卧鞯酪合嗪蜌庀嗟乃俣?；f為質(zhì)量力；Mgi，Mli為氣相和液相的表面張力。由于在氣液兩相流中，相界面的運(yùn)動(dòng)、破碎、變形、再融合使得流動(dòng)結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜，又由于增壓不是很大且為了計(jì)算方便，簡(jiǎn)化了計(jì)算模型，忽略氣相可壓縮性，不考慮狀態(tài)方程。

2.3 求解方法及邊界條件設(shè)置

數(shù)值模擬采用Fluent18.0流場(chǎng)模擬軟件，計(jì)算模型采用Mixture模型，考慮相間滑移和隱式徹體力，湍流模型采用RNGk-ε模型，該模型系數(shù)采用默認(rèn)值。由于該混輸泵為臥式泵且流道尺寸小，故不考慮重力對(duì)其影響。采用SIMPLEC速度壓力耦合方式，欠松弛因子采用默認(rèn)值，含氣率項(xiàng)采用一階迎風(fēng)格式，其他項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式。假設(shè)入口處氣液混合均勻，采用給定的速度入口條件，出口邊界條件為壓力出口，重量流率為1。

壁面邊界條件的設(shè)置：計(jì)算域壁面均采取光滑水力壁面，固壁邊界轉(zhuǎn)動(dòng)件表面與流體之間采用無(wú)滑移固壁條件，液體與旋轉(zhuǎn)件壁面一起作圓周運(yùn)動(dòng)，近壁面區(qū)的流體流動(dòng)采取標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)進(jìn)行處理。

3 模擬結(jié)果及分析

圖5示出在純水的不同體積流量下，多相泵的相對(duì)揚(yáng)程和效率變化情況。可以看出在額定工況下，所設(shè)計(jì)的螺旋軸流式油氣混輸泵揚(yáng)程和效率都高于設(shè)計(jì)工況，由此說明此設(shè)計(jì)是成功的。在純水工況下，隨著流量的遞增，揚(yáng)程呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，而效率呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。在額定流量qV=100 m3/h，額定轉(zhuǎn)速n=2 950 r/min下，復(fù)合靜葉葉片數(shù)為8-8的三級(jí)增壓?jiǎn)卧趽P(yáng)程和效率上均明顯高于其他兩種復(fù)合靜葉。

圖5 混輸泵外特性曲線

隨著含氣率的增加，滯留在泵體流道的氣泡越來(lái)越多，減小了流道斷面面積，使液流的相對(duì)速度增加，增加了流動(dòng)損失，聚集的氣泡會(huì)使泵運(yùn)行不穩(wěn)定，產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，使得效率和揚(yáng)程不斷減小。如圖6所示，隨著含氣率的增加，復(fù)合靜葉8-8的三級(jí)增壓?jiǎn)卧谠鰤汉托噬暇黠@高于其他復(fù)合靜葉。

從圖7、8 中3種復(fù)合靜葉在含氣率為0.5的工況下壓力云圖和輪緣流線圖可見，3種靜葉由于動(dòng)靜干涉的原因都會(huì)在靜葉葉片中部靠近輪轂處產(chǎn)生程度不一的漩渦，在靜葉尾部葉頂處產(chǎn)生局部壓力過高的現(xiàn)象。而復(fù)合靜葉7-7和9-9情況更為嚴(yán)重，產(chǎn)生了二次流。這是由于氣液分離最為嚴(yán)重的地方位于葉片壓力面約2/3弦長(zhǎng)的位置，且緊貼增壓?jiǎn)卧妮嗇?。氣液分離導(dǎo)致靜葉流道變小，流體流速增加，導(dǎo)致在靜葉尾部葉頂處產(chǎn)生了局部壓力過大的現(xiàn)象，加大了多相泵的流動(dòng)損失，產(chǎn)生了噪聲與振動(dòng)。 7-7復(fù)合靜葉流道內(nèi)靠近靜葉尾部流道旋渦比較明顯，短靜葉頭部氣液分離情況較為嚴(yán)重。相對(duì)而言8-8復(fù)合靜葉氣液分布較為均勻。

圖6 混輸泵在不同含氣率下增壓和效率曲線

圖7 3種復(fù)合靜葉壓力云圖和流線圖

圖8 3種增壓?jiǎn)卧?.5葉高處含氣率分布

如圖9所示，通過對(duì)含氣率為0.5的運(yùn)行工況為例進(jìn)行分析，在0.5葉高處的第2級(jí)增壓?jiǎn)卧獕毫υ茍D可以看出：從動(dòng)葉輪到靜葉輪，壓力逐級(jí)均勻增加，復(fù)合靜葉擴(kuò)壓作用明顯；復(fù)合靜葉7-7和8-8增壓?jiǎn)卧脑鰤耗芰γ黠@高于復(fù)合靜葉9-9。而在前者相比較而言，復(fù)合靜葉8-8增壓?jiǎn)卧鰤焊鼮榫鶆?，再一次說明復(fù)合靜葉8-8的增壓?jiǎn)卧切阅茏罴训摹?/p>

圖9 3種增壓?jiǎn)卧?.5葉高處壓力分布

4 結(jié)論

本文以YQH-100混輸泵為基型，優(yōu)化設(shè)計(jì)出的壓縮級(jí)是成功的。在著重考慮增壓?jiǎn)卧~片軸向長(zhǎng)度的情況下，在不同流量和不同含氣率的工況下數(shù)值計(jì)算可以得出以下結(jié)論：

1)復(fù)合靜葉葉片數(shù)為8-8時(shí)的增壓?jiǎn)卧?，不管是從增壓效果、揚(yáng)程還是效率上分析，都是最佳的且效率和揚(yáng)程都有明顯的提高。

2)由于動(dòng)靜干涉的緣故，使得不同復(fù)合靜葉葉片數(shù)的靜葉在葉片尾部葉頂處均存在局部壓力過高的情況，需要進(jìn)一步優(yōu)化減小局部壓力。

3)氣液分離最為嚴(yán)重的地方位于靜葉葉片壓力面約2/3弦長(zhǎng)的位置，且緊貼增壓?jiǎn)卧獎(jiǎng)尤~輪轂，還需做進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。