徑向間隙結構對油氣混輸泵性能的影響

馬希金，李 娜

(蘭州理工大學能源與動力工程學院，甘肅 蘭州 730050)

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·機電工程·

徑向間隙結構對油氣混輸泵性能的影響

馬希金，李 娜

(蘭州理工大學能源與動力工程學院，甘肅 蘭州 730050)

以自主研發的YQH-100油氣混輸泵為研究對象，采用Mixture混合模型和k-ε標準湍流模型，通過在動葉片葉頂處加不同“裙邊”形成的3種結構形式，分別在含氣率為0、0.1、0.3、0.5、0.7工況下進行數值模擬，得出3種不同“裙邊”結構下油氣混輸泵的性能曲線。從曲線中可以得知：第2種方案(“裙邊”加在葉片背面)下油氣混輸泵的性能優于其他2種方案，且該方案下油氣混輸泵的揚程和效率較原模型分別提高了1.92 m和0.34百分點，也使得氣體分布更加均勻，因此該研究可為油氣混輸泵徑向間隙結構的設計提供一定的參考。

油氣混輸泵；徑向間隙結構；含氣率；數值模擬

在經濟和技術快速發展的今天，對石油開采技術的要求也越來越高，尤其是對海洋油氣資源的開發。通常油井的產出物多為油、氣、水多相混合物[1]，油氣集輸作為輸送石油開采過程中原油及伴生氣體的主要設備，它結合了液相泵和壓縮機的雙重性能[2-3]，采用這種油氣混輸技術，使建設投資費用降低了40%[4]，而軸流式多相泵就是其中一種。

在軸流式水輪機里，日本的富士公司已經通過在轉輪葉片外緣側添加凸臺[5]的方法，有效地減少了流量損失，增加了葉片端部強度，改善了葉頂間隙處的流動。由于本文的研究對象YQH-100型油氣混輸泵歸屬于軸流式葉片機械，本文在油氣混輸泵的動葉葉片葉頂處加上“裙邊”，研究其對油氣混輸泵性能的影響。

1 計算模型及數值計算方法

1.1 模型結構

本文以自主研發的YQH-100多級油氣混輸泵(Q=100 m3/h、H=85 m、n=2 950 r/min、動葉葉片數z=4,靜葉為長短葉片相間，葉片數z=9)為研究對象，在其不同位置添加“裙邊”。本文對添加裙邊的形式提出3種方案：1)將“裙邊”加在動葉葉片的工作面(pressure side)，以PS表示；2)將“裙邊”加在動葉葉片的背面(suction side)，以SS表示；3)在動葉葉片的工作面與背面(double side)都加入“裙邊”，以DS表示(如圖1所示)。“裙邊”的長和寬分別取5 mm和1 mm。在額定流量Q=100 m3/h，徑向間隙RTC=1 mm(計算時，間隙分別取0.25,0.5,0.75，1.0,1.5 mm，限于篇幅，本文只選取最具代表性的1 mm),含氣率分別為0，0.1，0.3，0.5，0.7的工況下分別對3種不同方案進行數值模擬，并將其計算結果與沒有加入“裙邊”時的結果進行對比。

(a)第1種方案(PS)

(b)第2種方案(SS)

(c)第3種方案(DS)

為減少計算量，本次建模采用單個壓縮級構成的整機來計算，用ICEM軟件對其進行網格劃分。由于間隙較小，將間隙處的網格進行加密，進行網格無關性驗證。網格數對效率影響不大，在間隙為1 mm含氣率為0時，當網格數為247萬時效率為36.27%，324萬時效率為36.54%，377萬時效率為36.62%，網格劃分見圖2。

圖2 整機流場計算域網格

1.2 湍流模型

由于混輸泵內部各相流動的復雜性，本文在3種不同方案進行數值模擬時均采用Mixture混合模型，液相為水，氣相為空氣，以simplec算法[6]作為速度與壓力的耦合計算，湍流模型采用標準的k-ε模型,并且在計算過程中已假設流動不可壓且不考慮源項。標準k-ε方程[7-8]為：

k方程

其中

ε方程

其中στ為紊流脈動動能耗散率的普朗特數,而σk、στ、Cμ為恒定值，選用單相流中的取值:σk=1，στ=1.314，Cμ=0.09。

1.3 邊界條件的確定

采用有限體積法對控制方程進行離散，邊界條件設置如下。

1)計算域進口設為速度進口，假設氣液兩相混合均勻且進口速度相同，湍動能和耗散率根據液相速度按下式[9-10]給定:

式中:lin為進口區的混合長度，并假定為進口處當量直徑的0.015倍。

2)出口定義為壓力出口，先假設出口處的壓力，再根據計算結果調整該壓力出口，使進口壓力為0[11]。

3)對于近壁區域，采用壁面函數法進行處理。

2 數值計算結果及分析

2.1 徑向間隙結構對混輸泵外特性的影響

圖3示出徑向間隙RTC=1 mm，沒加“裙邊”和3種加“裙邊”方案下揚程隨含氣率的變化。據圖分析，以沒有加入“裙邊”時的工況為參照，按照第1方案，在動葉葉片工作面加入“裙邊”(PS)時，反而使得混輸泵的揚程比沒有加入“裙邊”時下降了0.11 m；其他2種方案下，給動葉葉片加入“裙邊”有利于揚程的提高，當含氣率為0時，方案2(SS)下，混輸泵的揚程比沒有在葉頂加入“裙邊”時提高了1.92 m，即提高了2.97%；方案3(DS)也使得混輸泵的揚程比沒有加入“裙邊”時的揚程增加了0.89 m：因此，整體來看，方案2(SS)，即在動葉葉片背面加入“裙邊”時揚程最高，該方案有利于改善油氣混輸泵的工況參數。

圖3 揚程隨含氣率的變化

圖4為4種情況下效率隨含氣率的變化圖。可以看出，相對于沒有加入“裙邊”的情況，方案2(SS)和方案3(DS)都可使油氣混輸泵的效率有所提升。在動葉葉片背面加入“裙邊”后可使油氣混輸泵的效率在不同含氣率的情況下平均提高0.34百分點；而在動葉葉片背面和工作面同時加入“裙邊”后，在含氣率為0的情況下，可使效率提高0.092百分點，含氣率在30%以上時，該方案(DS)可使效率平均增加0.12百分點；而方案1(PS)會使油氣混輸泵的效率下降，起了副作用，因為在工作面處加入“裙邊”會很大程度上改變葉片的水力效應，并且會加劇流動擾動，造成水力損失，從而使得該流體機械的效率及揚程下降。兩邊都加裙邊的DS方案，效果比SS方案差的原因是在正面也加裙邊后其副作用抵消了一部分改善作用。

圖4 效率隨含氣率的變化

2.2 壓力分析

圖5為GVF=30%時，不加“裙邊”作為參照，不同方案下第一級動葉軸向截面的壓力云圖。可以看出：方案1(PS)使得靠近葉片工作面間隙處的高壓區域面積減小,而對葉片背面壓力分布基本沒有影響；方案2(SS)使得靠近葉片背面的低壓區面積減小，壓力普遍有所提高，而葉片工作面輪緣間隙處的高壓區擴大；而方案3(DS)對工作面和背面的壓力均有所提高。從圖中還可以看到，在動葉進口處壓力分布不均勻，并且存在大面積的低壓區。這是因為在動葉的進口處流體在葉輪做功的作用下，突然被施加較大的轉速，這使得流體流動紊亂，產生大量的渦，從而產生能量損失。

(a)RTC=1 mm (b)PS

(c)SS (d)DS

2.3 速度分析

圖6為GVF=30%時以不加入“裙邊”情況作為參照，不同方案下動葉軸面截面上的速度流線分布圖。可以看出，在葉片端部未加入“裙邊”時，徑向間隙處產生明顯回流，回流的產生會造成能量的損失，使得揚程和效率下降，將圖6(b)、(c)、(d)與圖6(a)作比較可以發現，在第2和第3種方案中，速度流線圖顯示出徑向間隙處的環流明顯減小，而第1種方案，在動葉葉片工作面加入“裙邊”對減小環流沒有產生明顯的效果。這說明葉頂截面厚度越薄，徑向間隙處產生的環流越多，損失越大。

(a)RTC=1 mm

(b)第1種方案

(c)第2種方案

(d)第3種方案

2.4 含氣率變化

圖7為以不加入“裙邊”情況作為參照，GVF=30%時不同方案下葉片工作面含氣率分布云圖。可以看出，4種情況下在葉片工作面頭部均出現了局部低含氣率區域：圖7(c)即在葉片背部加入“裙邊”時，局部低含氣率區域面積最小；圖7(d)即在工作面與背面同時加入“裙邊”時，低含氣率區域面積最大。這2種現象產生的原因是加入的“裙邊”阻礙了流體的流動，使得液體在“裙邊”處聚集，而圖7(d)中在工作面和背面均加入“裙邊”后，更大程度上阻礙了流體的流動，液體在“裙邊”處聚集程度加劇，低含氣率區域范圍更大。從圖7(c)中也可以看出在靠近輪轂偏尾部出現了高含氣率區域。這說明混合流體中氣體在該處聚集，可以直觀看出該方案下葉片工作面上氣體的運動趨勢和聚集區域。

(a)RTC=1mm (b)PS (c)SS (d)DS

圖7 葉片工作面含氣率分布云圖

圖8為以不加入“裙邊”情況作為參照，GVF=30%時不同方案下葉片背含氣率分布云圖。可以直觀地看到，4種情況下，在葉片的背面頭部處存在局部高氣壓區域，說明該處有氣體聚集。不加“裙邊”的情況下，葉片背面的中部地方的含氣率最低；圖8(b)即在葉片的工作面加“裙邊”時，葉片背面靠近輪轂處出現低含氣率區域；而在圖8(c)和圖8(d)中，葉片的背面及2個面加“裙邊”時，葉輪背面靠近輪緣處出現大面積低含氣率區域。但是在葉片的背面加入“裙邊”(SS)后，如圖8(c)所示，氣體分布均勻，整體含氣率在30%左右。該現象產生的原因是葉片背面加入“裙邊”有效地減小了間隙處的泄漏流，沒有產生明顯的液體聚集現象，混合流體整體密度變化不大。

(a)RTC=1 mm； (b)PS； (c)SS； (d)DS

圖8 葉片背面含氣率分布云圖

3 結論

1)在葉片背面加“裙邊”(SS)后，可以提高混輸泵揚程(提高了1.92 m)和效率(增加了0.34%)。

2)在葉片正面加“裙邊”(PS)后，起了副作用，降低了混輸泵的揚程和效率。

3)在葉片兩面加“裙邊”(DS)后，混輸泵的揚程和效率得到提高，但提高量少于SS方案，原因是被背面加“裙邊”的副作用給抵消了。

4)在葉片背面加“裙邊”(SS)后，速度分布和氣體分布更加均勻，可以提高混輸泵的輸氣能力，同時表明了揚程和效率提高的內在原因。

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(編校：夏書林)

The Impact of Radial Clearance Structure on the Performance of Oil-gas Mixed Pump

MA Xijin, LI Na

(College of Energy and Power Engineering，Lanzhou Univ. of Tech.，Lanzhou 730050 China)

This article chose the self-developed YQH-100-type oil-gas mixed pump as a research object, and selected the Mixture model ,k-ε turbulence model and 3 schemes through adding “skirt” to different locations on the top of rotor vane to carry out the numerical simulation under the condition that the GVF were 0,10%,30%,50%,70%，and the performance curves of the oil-gas mixed pump under the three different "skirt" structure were plotted, respectively. The curves indicate that the second scheme( adding the “skirt” on the suction side) is better than the other two schemes, and the head is increased 1.92m and the efficiency increased by 0.34% than the original model, and making the gas distribution is more even. Therefore, the research can give some reference to the structural design of the radial clearance for the oil-gas mixed pump.

oil-gas multiphase pump;the radial clearance structure;GVF;numerical simulation

2015-07-22

甘肅省科技攻關項目(KG954-3-11)。

馬希金(1958—)，男，研究員，主要研究方向為多相流理論和混輸泵的研究及產品研發。

TH312

A

1673-159X(2016)05-0098-5

10.3969/j.issn.1673-159X.2016.05.018