叶片加厚与扭曲规律对螺旋轴流式油气混输泵性能的影响

发布时间：2020-11-18 00:50

　　 油气混输是深海油气开采和输运的基础,是人类油气资源战略接替和国家能源安全保障的关键技术,已成为当今世界石油工业科技创新的前沿,并受到了人们的广泛关注,尤其是深海油气开发及输送技术。多相混输泵作为能够同时输送石油和天然气的设备,成为了油气混合资源开采和输运的一项关键装备。其中,螺旋轴流式油气混输泵由于输送流量大、对含气率较高的气液两相介质输送能力强而被广泛应用。但由于气液两相之间的密度差导致气液混输过程中气液分离和流道堵塞等问题影响了油气混输泵的水力性能和可靠性。本文以自主设计的螺旋轴流式油气混输泵压缩单元为基础模型,利用欧拉多相流模型及SST k-?湍流模型对压缩单元的水力性能及内部流场进行了数值预测,并根据外特性实验结果验证了数值模拟方法的准确性。为了研究叶片加厚规律和扭曲规律对混输泵性能的影响,分别定义了气相聚集度、加厚比系数来表征叶轮流道内气相的聚集程度、叶片厚度由轮毂侧到轮缘侧的变化程度。通过调整加厚比系数值,得出具有不同加厚规律的叶轮方案。其次定义了扭曲度使得叶片具有不同的扭曲规律。通过模拟不同方案混输泵的性能,对比分析了加厚比系数和扭曲度对油气混输泵压缩单元外特性和内流特性的影响。主要研究结论如下:(1)在保持轮毂侧最大厚度不变的情况下,混输泵的扬程系数和效率随着加厚比系数的减小而增大;(2)在相同轮毂侧最大厚度的前提下,混输泵叶轮流道内的气相聚集度随着加厚比系数的减小而降低,从而提高了混输泵的气液混输性能;(3)叶轮流道内气相的聚集程度随着扭曲度的增大而减小,叶片扭曲度的增大也能提升混输泵对气液两相的输送能力;(4)变扭曲度叶片可以有效提高混输泵的扬程、效率等外特性,具有扭曲度叶片的混输泵外特性均比原始叶片的混输泵高;(5)流道内湍动能梯度大的区域与气相聚集的区域保持了相似性,气相的聚集造成了流动的不稳定,进而造成了流动损失,使得混输泵的性能下降。本文的主要创新点:通过定义并调整加厚比系数及扭曲度来实现对叶轮的改型设计,并通过对比不同方案混输泵的性能以总结叶片加厚与扭曲规律对混输泵性能的影响;引入了气相聚集度来表征气相在叶轮流道内的聚集情况,更加直观且量化地对气相的聚集情况进行了表达。
【学位单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：TE974.1
【部分图文】：

叶片加厚与扭曲规律对螺旋轴流式油气混输泵性能的影响-2-相混输技术研究项目研究开发的一种混输泵，也被称为“海神泵”[6]。螺旋轴流式多相泵的结构简图如图1.2所示。随着油气混输技术在海洋石油输运过程中的广泛应用，相关学者相继开展了对螺旋轴流式油气混输泵的研究。图1.1双螺杆泵结构简图图1.2螺旋轴流式多相泵结构简图近年来随着深海油气资源的需求稳定增加，高性能的油气混输泵作为深海油田开采及输运的关键设备，受到相关单位越来越多的重视，对油气混输泵的研究也将有益于其在油田开采中的应用。螺旋轴流式多相混输泵因为其具有可输运较大流量的多相混合介质、对含砂等固体颗粒不敏感、结构简单维修方便等优点，被广泛的应用于油田开采及输运的混输增压设备。但是在螺旋轴流式油气混输泵输运多相介质的过程中，由于入口含气率的增大常常会使得流道中产生气堵等现象影响流动，从而造成混输泵性能的下降，因此研究高含气率工况下混输泵的流动特性，提高在高含气率工况运行时混输泵的混输性能，也成为了目前对油气混输泵相关研究的热点。本课题通过对高含气率工况下具有不同加厚规律与扭曲规律叶片的混输泵进行数值模拟，得出叶片加厚规律及扭曲规律与混输泵性能变化之间的关系，从而为提高混输泵的水力性能和气液两相的混合输运能力，降低流道内的气液分离程度，改善流道内的气相聚集现象提供可靠的参考依据。1.3国内外相关研究现状1.3.1油气混输泵相关研究

叶片加厚与扭曲规律对螺旋轴流式油气混输泵性能的影响-2-相混输技术研究项目研究开发的一种混输泵，也被称为“海神泵”[6]。螺旋轴流式多相泵的结构简图如图1.2所示。随着油气混输技术在海洋石油输运过程中的广泛应用，相关学者相继开展了对螺旋轴流式油气混输泵的研究。图1.1双螺杆泵结构简图图1.2螺旋轴流式多相泵结构简图近年来随着深海油气资源的需求稳定增加，高性能的油气混输泵作为深海油田开采及输运的关键设备，受到相关单位越来越多的重视，对油气混输泵的研究也将有益于其在油田开采中的应用。螺旋轴流式多相混输泵因为其具有可输运较大流量的多相混合介质、对含砂等固体颗粒不敏感、结构简单维修方便等优点，被广泛的应用于油田开采及输运的混输增压设备。但是在螺旋轴流式油气混输泵输运多相介质的过程中，由于入口含气率的增大常常会使得流道中产生气堵等现象影响流动，从而造成混输泵性能的下降，因此研究高含气率工况下混输泵的流动特性，提高在高含气率工况运行时混输泵的混输性能，也成为了目前对油气混输泵相关研究的热点。本课题通过对高含气率工况下具有不同加厚规律与扭曲规律叶片的混输泵进行数值模拟，得出叶片加厚规律及扭曲规律与混输泵性能变化之间的关系，从而为提高混输泵的水力性能和气液两相的混合输运能力，降低流道内的气液分离程度，改善流道内的气相聚集现象提供可靠的参考依据。1.3国内外相关研究现状1.3.1油气混输泵相关研究

叶片加厚与扭曲规律对螺旋轴流式油气混输泵性能的影响-10-翼型的加厚规律对混输泵叶片进行加厚，791翼型的厚度变化规律如表2.2所示：表2.2791翼型加厚规律x/l00.050.0750.10.20.30.40.50.60.70.80.90.951δ/δmax00.2960.4050.4890.7780.920.97810.880.7560.5440.3560.20表中x为距离翼型进口处的长度，l为翼型的弦长，δ代表对应于位置x处的厚度，δmax为翼型的最大厚度。791翼型示意图如图2.1所示：图2.1791翼型本文选取了轮缘到轮毂的5个圆周截面，根据以上计算所得的各个翼型参数可画出各圆周截面的翼型展开图，并对各截面的翼型进行叶片表面的光滑性检查。经过计算，叶轮的主要结构参数如表2.3所示：表2.3叶轮主要结构参数主要结构参数量值叶轮直径D(mm)150叶轮叶片数Z4轮毂半锥角γ(°)6轴向长度e(mm)55叶片进口安放角β1(°)10叶片出口发放角β2(°)142.2.2叶轮模型建立利用三维制图软件，将所得的各圆周截面的二维翼型展开图转化成为三维结构图，并绘制叶轮的水体图。叶轮的结构图和水体图如图2.2所示：
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本文编号：2888133