螺旋軸流式多相泵長短復(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，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，國外葉片式多相泵以韓國漢陽大學(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。國內(nèi)葉片式多相泵以中國石油大學(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)輪軸向長度的確定方法，設(shè)計(jì)出新的動葉和不同長短靜葉葉片數(shù)的復(fù)合靜葉構(gòu)成增壓單元；采用相同的3級增壓單元，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；理論上，葉片的軸向長度影響葉片的軸向扭曲程度，對多相泵的增壓效果、氣液分離程度以及效率有重要的影響。長短復(fù)合靜葉其優(yōu)勢在于降低混合流體流入靜葉流道時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%。增壓單元的設(shè)計(jì)過程中，考慮到葉片軸向長度對增壓效果有至關(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單元葉片弦長、包角、葉片軸向長度的確定方法，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]提出合理的動靜葉軸向間距能減少沿程損失，減小流動沖擊以及改善流動的不穩(wěn)定性。綜合考慮增壓單元動葉與靜葉間的軸向間隙，軸向長度取為75 mm。假設(shè)泵中多相流動為氣泡均勻分布于液流中且氣泡與液流間無相對滑移的均勻流，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

三級增壓單元幾何模型如圖1所示，包括3部分：前延長段，三級增壓單元，后延長段。前后延長段軸向長度是葉輪軸向長度的3倍，動葉輪葉片數(shù)為4。如圖2所示，3種復(fù)合靜葉葉輪的長短靜葉數(shù)分別為7-7，8-8，9-9。

圖1 三級增壓單元幾何模型

圖2 3種復(fù)合靜葉

增壓單元網(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分析對比不同網(wǎng)格數(shù)對油氣混輸泵揚(yáng)程和效率的影響，網(wǎng)格數(shù)大于250萬時，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352萬7 224，滿足網(wǎng)格數(shù)無關(guān)條件。

圖3 增壓單元網(wǎng)格

圖4 網(wǎng)格無關(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，且同時滿足動量守恒和質(zhì)量守恒，基本方程如下：

氣相動量方程為：

(7)

液相動量方程為

(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分別為通過增壓單元流道液相和氣相的速度；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、破碎、變形、再融合使得流動結(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)動件表面與流體之間采用無滑移固壁條件，液體與旋轉(zhuǎn)件壁面一起作圓周運(yùn)動，近壁面區(qū)的流體流動采取標(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，多相泵的相對揚(yáng)程和效率變化情況?？梢钥闯鲈陬~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，而效率呈現(xiàn)上升趨勢。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的三級增壓單元在揚(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越多，減小了流道斷面面積，使液流的相對速度增加，增加了流動損失，聚集的氣泡會使泵運(yùn)行不穩(wěn)定，產(chǎn)生振動和噪聲，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的三級增壓單元在增壓和效率上均明顯高于其他復(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種靜葉由于動靜干涉的原因都會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弦長的位置，且緊貼增壓單元的輪轂。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損失，產(chǎn)生了噪聲與振動。 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種增壓單元在0.5葉高處含氣率分布

如圖9所示，通過對含氣率為0.5的運(yùn)行工況為例進(jìn)行分析，在0.5葉高處的第2級增壓單元壓力云圖可以看出：從動葉輪到靜葉輪，壓力逐級均勻增加，復(fù)合靜葉擴(kuò)壓作用明顯；復(fù)合靜葉7-7和8-8增壓單元的增壓能力明顯高于復(fù)合靜葉9-9。而在前者相比較而言，復(fù)合靜葉8-8增壓單元增壓更為均勻，再一次說明復(fù)合靜葉8-8的增壓單元是性能最佳的。

圖9 3種增壓單元在0.5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)出的壓縮級是成功的。在著重考慮增壓單元葉片軸向長度的情況下，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時的增壓單元，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弦長的位置，且緊貼增壓單元動葉輪轂，還需做進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。