葉片圓盤(pán)泵變轉(zhuǎn)速性能試驗(yàn)研究

周昌靜，陳國(guó)明

試驗(yàn)研究

葉片圓盤(pán)泵變轉(zhuǎn)速性能試驗(yàn)研究

周昌靜a，b，陳國(guó)明b

（中國(guó)石油大學(xué)（華東）a.化學(xué)工程學(xué)院；b.海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心，山東 青島266580）

為研究海底泥漿舉升葉片圓盤(pán)泵樣機(jī)變速性能，進(jìn)行了不同轉(zhuǎn)速葉片圓盤(pán)泵性能試驗(yàn)，得到樣機(jī)不同轉(zhuǎn)速下的性能曲線，并與比例定律換算得到的性能進(jìn)行了比較、分析，得出一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)葉片圓盤(pán)泵相似工況點(diǎn)的對(duì)應(yīng)參數(shù)（Q，H，N）滿足比例定律關(guān)系。平坦的H-Q曲線和恒定出口壓力n-Q曲線說(shuō)明，葉片圓盤(pán)泵適合海底泥漿舉升鉆井泥漿的舉升和海底井口壓力的控制。

葉片圓盤(pán)泵；變速；比例定律；性能試驗(yàn)

海底泥漿舉升泵是海底泥漿舉升鉆井技術(shù)中的關(guān)鍵設(shè)備之一［1-2］，鉆井作業(yè)時(shí)安裝在海底完成海底泥漿舉升和海底井口壓力的控制。海底泥漿舉升鉆井要求海底泥漿舉升泵能夠有寬的流量工作范圍，以保持海底泵的入口壓力，即如果井筒環(huán)空壓力開(kāi)始升高，海底泵應(yīng)該在高的流量下運(yùn)行以保持入口壓力為預(yù)先設(shè)定值。如果井筒環(huán)空壓力下降，海底泵流量速率必須下降以保持入口壓力在預(yù)先設(shè)定值。而且在該種恒定環(huán)空壓力工作模式下，要求海底泵的流量調(diào)節(jié)應(yīng)保證泵揚(yáng)程變化不大，即不同流量下泵揚(yáng)程都要滿足泥漿從海底到海面的舉升。這種恒定的環(huán)空壓力工作模式是通過(guò)控制海底泵的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)的。因此，舉升泵轉(zhuǎn)速變化對(duì)舉升泵特性影響的研究就非常必要。葉片圓盤(pán)泵作為一種葉輪結(jié)構(gòu)特殊的新型離心式泵，因具有性能曲線平坦、無(wú)堵塞性能好、葉輪受磨損程度小等優(yōu)點(diǎn)，在海底泥漿舉升鉆井技術(shù)中得到了廣泛應(yīng)用［3-4］；但因葉片間存在無(wú)葉區(qū)，其工作原理與一般離心泵不同［5-6］，對(duì)其變速性能還沒(méi)有見(jiàn)到相關(guān)的研究。本文對(duì)自行設(shè)計(jì)的葉片圓盤(pán)泵樣機(jī)進(jìn)行變速性能試驗(yàn)研究，并將變速試驗(yàn)結(jié)果與比例定律計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

1 比例定律

當(dāng)同一臺(tái)泵轉(zhuǎn)速由n1變?yōu)閚2時(shí)，若輸送的介質(zhì)不變，根據(jù)相似定律，則在不同轉(zhuǎn)速下相似工況點(diǎn)對(duì)應(yīng)參數(shù)與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系為

式中：Q為體積流量，m3／s；H 為揚(yáng)程，m；N 為功率，k W；n為泵軸每秒旋轉(zhuǎn)的次數(shù)，r／s。

上述3個(gè)公式即為比例定律表達(dá)式［7］，它們表示對(duì)同一臺(tái)泵在相似工況下的Q、H、N與n之間的比例關(guān)系。對(duì)于滿足比例定律關(guān)系的泵，輸送液體相同時(shí)，相似工況點(diǎn)的效率大致相等，可用上述3個(gè)公式進(jìn)行不同轉(zhuǎn)速下性能曲線的換算。

2 試驗(yàn)樣機(jī)及試驗(yàn)方法

試驗(yàn)所用樣機(jī)葉輪如圖1所示，圓盤(pán)數(shù)為2，葉片為放射形直葉片，每個(gè)盤(pán)上葉片數(shù)為8。葉輪外徑D＝319 mm，內(nèi)徑d＝125 mm，盤(pán)間距S＝50 mm。用于試驗(yàn)的流體介質(zhì)為水，通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速，在每一轉(zhuǎn)下通過(guò)電磁閥調(diào)節(jié)泵的流量，對(duì)應(yīng)每一次調(diào)節(jié)相應(yīng)采集泵的流量、進(jìn)、出口壓力、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩，按文獻(xiàn)［8］的數(shù)據(jù)處理方法得到泵在不同轉(zhuǎn)速下的性能曲線。

圖1 試驗(yàn)樣機(jī)葉輪

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

不同轉(zhuǎn)速下的H-Q性能曲線如圖2所示。相同流量下，揚(yáng)程變化值隨轉(zhuǎn)速的下降而降低，從關(guān)死點(diǎn)（零流量）開(kāi)始，揚(yáng)程隨流量的增加下降很小，各轉(zhuǎn)速下H-Q特性曲線都很平坦。

圖2 H-Q變速特性曲線

圖3 為不同轉(zhuǎn)速下H-Q性能按照比例定律換算到2 900 r／min的H-Q曲線，其中：2 400、2 600、2 800 r／min的H-Q特性曲線換算后與2 900 r／min的H-Q特性曲基本重合，隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律滿足比例定律。相對(duì)于其他轉(zhuǎn)速，1 450 r／min的H-Q曲線換算到2 900 r／min后與實(shí)測(cè)2 900 r／min的H-Q曲線存在一定偏差。

圖3 按比例定律不同轉(zhuǎn)速換算到2 900 r／min的H-Q曲線

圖4 為不同轉(zhuǎn)速下的N-Q性能曲線，相同流量下軸功率隨轉(zhuǎn)速的增加而增加；在同一轉(zhuǎn)速下，軸功率隨流量增加而增加。圖5為不同轉(zhuǎn)速下N-Q性能按照比例定律換算到2 900 r／min的N-Q曲線，其中：2 400、2 600、2 800 r／min的軸功率與流量特性曲線換算后與2 900 r／min的軸功率與流量特性曲基本重合，隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律符合比例定律。1 450 r／min的N-Q曲線換算后略大于實(shí)測(cè)的2 900 r／min的N-Q曲線，而1 450 r／min的H-Q曲線換算到2 900 r／min后略小于實(shí)測(cè)2 900 r／min的H-Q曲線。若不考慮效率，按有效功率（ρgQH）似乎有些矛盾，分析認(rèn)為舉升泵在降速后由于泵的機(jī)械損失并不隨轉(zhuǎn)速的立方下降。因此，降速后的軸功率較按比例定律換算的軸功率略偏大。

圖4 N-Q變速特性曲線

圖5 按比例定律不同轉(zhuǎn)速換算到2 900 r／min的N-Q曲線

圖6 η-Q變速特性曲線

圖7 按比例定律不同轉(zhuǎn)速換算到2 900 r／min的η-Q曲線

舉升泵不同轉(zhuǎn)速下η-Q性能曲線如圖6，可以看出：在試驗(yàn)流量范圍內(nèi)，在同一轉(zhuǎn)速下，效率隨流量增加而增加。這是因?yàn)樵囼?yàn)流量小于設(shè)計(jì)流量（最高效率點(diǎn)流量），相同流量下效率隨轉(zhuǎn)速的增加而降低，因?yàn)榘幢壤上嗟鹊男庶c(diǎn)應(yīng)滿足Q1∶Q2＝n1∶n2，因此在流量小于最高效率點(diǎn)流量時(shí)，相同流量下轉(zhuǎn)速低，效率高。

圖7為不同轉(zhuǎn)速下η-Q性能按照比例定律換算到2 900 r／min的η-Q曲線，其中2 400、2 600、2 800 r／min的效率與流量特性曲線換算后與2 900 r／min的效率-流量特性曲基本重合。1 450 r／min性能換算后與2 900 r／min偏差較大，按照比例定律，在轉(zhuǎn)速變化后，認(rèn)為泵的相似工況點(diǎn)效率基本保持不變。這是根據(jù)泵的相似律假設(shè)轉(zhuǎn)速變化時(shí)，相似工況點(diǎn)機(jī)械效率、容積效率和水力效率均保持不變而得出的。實(shí)際上，這一假設(shè)僅在轉(zhuǎn)速變化不超過(guò)一定范圍內(nèi)才適用的，在轉(zhuǎn)速變化較大時(shí)，各項(xiàng)效率均有變化；因此，隨泵轉(zhuǎn)速下降，泵的效率亦發(fā)生相應(yīng)改變。

海底泥漿舉升鉆井中通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)流量，保證海底泵的入口壓力等于海水靜壓力，因?yàn)榕e升高度不變，在忽略流量不同產(chǎn)生的管阻損失差別的條件下，可以認(rèn)為舉升揚(yáng)程不變，即舉升泵在轉(zhuǎn)速變化改變流量保持入口壓力的同時(shí)，還要滿足泥漿舉升高度（出口壓力恒定）要求。

舉升泵保持出口壓力恒定條件下的轉(zhuǎn)速-流量（n-Q）曲線如圖8，可以看出：在試驗(yàn)流量范圍內(nèi)，在出口保持壓力恒定條件下，流量隨轉(zhuǎn)速增加而增加，在關(guān)死點(diǎn)（零流量）保持1.2 MPa泵需要在2 811 r／min下運(yùn)行，在流量達(dá)到120 m3／h時(shí)，保持1.2 MPa出口壓力泵需要在2 864 r／min下運(yùn)行。可見(jiàn)在通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)泵流量的同時(shí)要滿足1.2 MPa的舉升壓力時(shí)，泵的轉(zhuǎn)速變化范圍不大，這有利于提高通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)流量保證海底泵入口壓力的響應(yīng)時(shí)間。

圖8 出口壓力恒定時(shí)n-Q曲線

4 結(jié)論

1） 通過(guò)葉片圓盤(pán)泵樣機(jī)變速性能試驗(yàn)，得到了不同轉(zhuǎn)速下葉片圓盤(pán)泵的性能曲線 （H-Q，N-Q，η-Q），以及出口壓力恒定條件下的n-Q關(guān)系曲線。

2） 一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)葉片圓盤(pán)泵相似工況點(diǎn)的對(duì)應(yīng)參數(shù)（Q，H，N）滿足比例定律關(guān)系，滿足比例定律關(guān)系的相似工況點(diǎn)效率基本保持不變。

3） 平坦的H-Q性能曲線和恒定出口壓力n-Q關(guān)系曲線說(shuō)明，葉片圓盤(pán)泵適合海底泥漿舉升鉆井海底泥漿的舉升和海底井口壓力的控制。

4） 試驗(yàn)證明：葉片圓盤(pán)泵在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)滿足比例定律關(guān)系，為后續(xù)建立葉片圓盤(pán)泵變速數(shù)學(xué)模型打下了基礎(chǔ)。

［1］ 殷志明，陳國(guó)明，蔣世全，等.深水海底泥漿舉升鉆井技術(shù)［C］／／我國(guó)近海油氣勘探開(kāi)發(fā)高技術(shù)發(fā)展研討會(huì)論文集，2005：582-589.

［2］ 殷志明，陳國(guó)明，王卓顯，等.深水海底泥漿舉升鉆井技術(shù)及其應(yīng)用前景［J］.鉆采工藝，2006，29（5）：1-4.

［3］ Smith K L，Gault A D，Witt D E，et al.SubSea Mud Lift Drilling Joint Industry Project：Delivering Dual Gradient Drilling Technology to Industry ［G］.SPE 71357，2001.

［4］ Eggemeyer J C，Akins M E，Brainard P E.9 SubSea Mud Lift Drilling：Design and Implementation of a Dual Gradient Drilling System［G］.SPE 71359，2001.

［5］ 陳永超，陳國(guó)明，李偉，等.一種抗磨損多級(jí)圓盤(pán)泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2013，42（10）：25-28.

［6］ 王少平，高本金，尹樹(shù)孟，等.圓盤(pán)泵葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)正交優(yōu)化分析［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2012，41（6）：58-62.

［7］ 關(guān)醒凡.現(xiàn)代泵技術(shù)手冊(cè)［K］.北京：宇航出版社，1995：44-45.

［8］ GB3216—2005，回轉(zhuǎn)動(dòng)力泵水力性能驗(yàn)收試驗(yàn)［S］.

Experimental Study on the Effect of Different Speed to the Performance of Disk Pump with Radial Straight Blade

ZHOU Chang-jinga，b，CHEN Guo-mingb
（a.College of Chemical Engineering；b.Centre for Offshore Engineering and Safety Technology，China University of Petroleum，Qingdao 266580，China）

To study the performance of disk pump with radial straight blade for subsea mudlift drilling when changing speed，performance tests of pump were done at different speeds and performance of pump at different speeds were converted to performance of pump by proportionality law.The results show that the corresponding parameters（Q，H，N）to meet the proportionality law relationship in a certain speed range.Flat H-Q curve and n-Q curve at constant outlet pressure shows disk pump with radial straight blade is suitable for lifting mud and controlling subsea wellhead pressure for subsea mudlift drilling.

disc pump with radial straight blade；different speeds；proportionality law；performance tests

TE952

A

1001-3482（2014）03-0060-04

2013-09-17

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助（13CX02067A）

周昌靜（1978-），男，吉林長(zhǎng)嶺人，講師，博士，主要從事海洋油氣裝備及流體機(jī)械研究，E-mail：zhouchangjing78＠163.com。