葉片式油氣混輸泵建模及性能研究

葛秦龍

(山西天地煤機裝備有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

在煤炭開采過程中會出現對油和水同時進行輸運的情況，因此排水系統中需要能同時進行輸送氣液兩相的設備。目前在排水輸運系統中常用的油氣混輸泵有兩種：雙螺桿式油氣混輸泵和葉片式油氣混輸泵。雙螺桿式混輸泵在輸送氣液兩相流動時穩定性較好，但輸送流量不大，容易受到顆粒的影響，維修不方便，使用壽命較低[1]。葉片式油氣混輸泵可輸運有較高氣相含量的兩相流動，結構簡單維修方便，抗汽蝕能力較好且對固體顆粒等不敏感，因此應用更廣泛[2]。肖文揚模擬研究了4種進口含氣率下混輸泵的性能，發現進口含氣率的增大使得葉輪及導葉的徑向力主頻幅值和偏心程度增大[3]。馬希金等分析了動、靜葉片軸向間隙對揚程、效率的影響，發現改變動、靜葉片軸向間隙會導致混輸泵揚程的變化，最后在4組間隙中找到了一組性能最佳的混輸泵[4]。余志毅對葉片式混輸泵的氣液兩相流場進行了數值模擬，結果表明葉輪進口處有渦旋存在，對葉輪采用較小的徑向尺寸可以較好地避免流道內的氣堵[5]。張明輝通過對葉片結構進行優化，從而使得葉片的結構參數更加合理，說明了葉片結構型式的重要性[6]。楊欣葉通過研究葉輪的結構型式對水泵性能的影響，分析水泵葉輪型式的發展趨勢，說明了葉輪型式對水泵性能有著重要的影響[7]。

本文分別對兩種葉片結構型式的油氣混輸泵進行數值模擬，通過分析對比其結果以及研究其各自的性能，得出具有較高水力性能的油氣混輸泵，對應用在排水系統中的油氣混輸泵葉片結構型式的選取提供參考。

1 油氣混輸泵壓縮單元建立

葉片式油氣混輸泵的設計參數設定為：額定流量Q=100 m3/h，額定揚程H=30 m，額定轉速n=4 500 r/min。根據設計參數對油氣混輸泵的壓縮單元進行設計并建模，壓縮單元主要包括葉輪和整流器。葉輪為主要做功部件，氣液兩相介質因葉輪的旋轉作用而具有一定的動能，進出口處的流體形成了能量差[8]。整流器對流出葉輪的兩相流動進行整流消旋，對氣液兩相起到再次混合作用[9]。

采取兩種葉片結構型式對葉輪進行設計并建模，第一種為葉片輪轂側至輪緣側翼型的轉動中心在不同圓周面上的軸向位置一致，即葉輪1。第二種為輪轂側至輪緣側翼型的轉動中心軸向位置不同，因此葉片結構發生改變，即葉輪2。葉片式油氣混輸泵的兩種葉輪結構及整流器結構如圖1、圖2所示。葉輪結構圖中的角度γ為葉片與輪轂側形成的扭角，由圖1可看出葉輪2的扭角比葉輪1的扭角小，其葉片尾緣向輪轂側發生了傾斜。

(a)

圖2 整流器模型

圖3為油氣混輸泵壓縮單元模型，分別在葉輪前和導葉后安裝一段直段結構的進出水段，使得流體穩定進入葉輪，以及使流出導葉的流體有較好的出流條件。

圖3 壓縮單元模型

在對流體域進行劃分網格時，需要對壓縮單元的水體進行網格劃分。選擇適用性較好的非結構化網格對不同葉輪模型的壓縮單元進行網格劃分[10]，非結構化網格被廣泛地用于對幾何模型的劃分[11]，采用結構化網格對結構規則的進、出水段進行網格劃分。并基于可以對流場進行較好的仿真分析的FLUENT軟件分別對其進行數值計算[12]。對葉輪、導葉以及進、出水段劃分之后的網格如圖4、圖5以及圖6所示。

圖4 葉輪水體網格

圖5 導葉水體網格

圖6 進、出水段網格

2 油氣混輸泵外特性參數

油氣混輸泵的基本外特性參數為揚程和效率，該參數可作為兩相泵的性能評價指標[13]，其計算公式為：

(1)

式中:ρm為氣液兩相介質的混合密度，取ρm=499.71 kg/m3；g為重力加速度，取g=9.8 m/s2；Δp為油氣混輸泵進出口壓力差，Pa。

進出口壓力差Δp為：

Δp=p2-p1

(2)

式中：p1為油氣混輸泵進口處的壓力；p2為油氣混輸泵出口處的壓力。

其效率的計算公式為：

(3)

式中：Q為油氣混輸泵的流量，Q=100 m3/h；M為氣液兩相介質的扭矩；ω為葉輪的旋轉角速度。

3 數值模擬結果分析

3.1 外特性分析

油氣混輸泵的模擬工況為額定流量，額定轉速及入口氣相體積分數為50%。分別選用水和空氣作為模擬的主相和次相，主相和次相的體積分數分別為其在總體積流量中所占的比重。多相流模型選取為歐拉模型，湍流模型選取為SST k-ω模型。計算域的進口邊界條件設置為速度進口，給定進口速度為3.4 m/s，假設進口處的兩相分布均勻且速度相等[14]。出口邊界條件設置為壓力出口，出口壓力的參考值為一個大氣壓值。壁面滿足無滑移條件，對近壁面區域的流動采用標準壁面函數法約束[15]，收斂殘差設置為10-5。

采用以上數學模型進行數值計算，對不同葉輪結構型式的油氣混輸泵進行性能預測，得出其外特性參數如表1所示。由表1中數據可看出，葉輪方案為第2種的油氣混輸泵水力性能較好，其揚程和效率均比第1種葉輪方案的油氣混輸泵高。揚程與油氣混輸泵的進出口壓力差有關系，葉輪為主要的做功部件，氣液兩相流體流經葉輪而使得進出口流體具有不同的壓力，形成了壓力差，因此揚程可以反映葉輪的增壓能力。油氣混輸泵的效率越高，代表其流動過程中的損失越小，其能量轉化的有效程度越高。通過讀取油氣混輸泵進出口處的壓力值，將其代入公式(2)中計算出進出口壓差，再代入公式(1)中可得混輸泵的揚程。將讀取的扭矩值代入公式(3)可計算出混輸泵的效率值。由表1可看出，葉輪2的增壓能力強于葉輪1，葉輪2方案的油氣混輸泵將氣液兩相介質的能量轉化為有效能量的效率較高。

表1 油氣混輸泵外特性

3.2 內流場分析

油氣混輸泵的外特性往往與其內流場特性有直接關系，因此對兩種葉輪方案的內流場進行分析。圖7為兩種葉輪流道內氣相分布的軸面投影圖，其可以反映出葉輪流道軸面方向的氣液兩相分布狀態。圖中左側為葉輪的進口方向，右側為葉輪的出口方向，上側為輪緣，下側為輪轂。由圖中可看出，兩種葉輪方案流道內輪轂側的氣相含量均從進口至出口方向呈現增大的趨勢，至出口處達到最大氣相體積分數值。在葉輪出口處位置，沿著輪緣側至輪轂側方向，氣相含量依然呈現增大的趨勢。并且可看出，輪緣側流道內氣相體積分數較低，液相體積分數較高，輪轂側則氣相體積分數較高，液相體積分數較低，氣液兩相介質在葉輪尾部流道內相態分離的現象最嚴重。但是，葉輪2流道內氣相含量最大的區域比葉輪1流道內氣相含量最大的區域小，說明葉輪2流道內的氣液兩相發生相態分離的程度比葉輪1低。

圖7 葉輪流道軸面氣相分布

從圖7的橫向方向及縱向方向上流道內的氣相分布狀態可知，氣相在葉輪流道內的靠近輪轂側的出口處區域含量最高，這有可能是由于氣液兩相介質的密度差而導致其受到的離心力有差異。離心力與介質的密度有關系，密度越大則介質受到的離心力較大，因此密度較大的液相受到較大的離心力作用，從而趨向于輪緣方向運動。沿著輪轂側向輪緣側的縱向葉高方向，將葉輪流道分為10份，其中0.1倍葉高面最接近于輪轂側，0.9倍葉高面最接近于輪緣側。因此，選取兩種葉輪方案的最接近于輪轂側的流面，即0.1倍葉高面，對葉輪圓周面上的氣相分布情況進行分析，如圖8所示。

圖8中左側為葉輪進口方向，右側為葉輪出口方向。由圖8可知葉輪流道內氣相含量較高的位置在軸向上與圖7中的位置保持了相似性。葉輪2流道內氣相含量最高的區域面積比葉輪1的小，并且兩種方案葉輪流道內氣相始終在葉片背面含量較高，而在靠近葉片工作面的區域及流道入口區域附近含量與入口氣相體積分數接近，保持在50%左右。這說明沿著葉輪軸向，流道內的氣液兩相介質慢慢發生分離，氣相在輪轂側慢慢聚集，最終在出口處的葉片背面區域發生了完全分離。葉輪2流道內的完全分離現象弱于葉輪1，因此其具有更好的對氣液兩相介質的輸送能力，結合外特性可看出，采用葉輪2的葉片結構型式，使得葉片與輪轂側形成的扭角γ更小，油氣混輸泵的外特性及對兩相介質的輸送能力更高。

圖8 0.1倍葉高處氣相分布

4 結論

本文選用歐拉多相流模型及SST k-ω湍流模型，借助FLUENT軟件對油氣混輸泵進行了數值模擬，對不同葉片結構型式對其性能的影響進行了分析。研究發現，采用葉片與輪轂側形成的夾角更小的葉輪2方案的油氣混輸泵具有更高的揚程和效率，具有更優的水力性能，葉輪2方案的混輸泵揚程相比于葉輪1的混輸泵增大了3.19%，揚程增大了1.33%。兩種葉輪流道內氣相體積分數較高的位置相似，均在靠近輪轂側的葉片背面出口處區域含量較高。且葉輪2流道內氣相含量為1的區域面積比葉輪1小，葉輪2流道軸面上氣相聚集區域的面積約為葉輪1的50%，流道內發生相態分離的現象較葉輪1弱，說明葉輪2具有更好的輸送氣液兩相流動的能力。