寬幅電潛泵葉導(dǎo)輪設(shè)計與性能試驗

李 越，白健華，蔣召平，于法浩，尚寶兵

(中海石油(中國)有限公司 天津分公司，天津 300459)

機械采油技術(shù)是渤海油田井筒舉升工藝持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)的基礎(chǔ)。截至2020年，渤海油田機械采油井數(shù)量占生產(chǎn)井總數(shù)的96%。

隨著渤海油田開發(fā)不斷進行，油井均已進入或即將進入中高含水期。目前，渤海油田以高含水、高可采儲量采出程度并稱的“雙高”油田接近20個，儲量及年產(chǎn)量占比均達到50%以上。電潛泵技術(shù)具有占地面積小、排量大和舉升揚程高等技術(shù)特點，成為了海上油田全生命周期穩(wěn)產(chǎn)和提液增產(chǎn)的主要手段[1]。在油田進入中高含水期后，地層能量明顯下降，生產(chǎn)井提液穩(wěn)產(chǎn)的需求不斷增大。根據(jù)2015―2019年的統(tǒng)計結(jié)果，因生產(chǎn)井大泵提液需求導(dǎo)致的非故障檢泵比例已經(jīng)由2%提升至20%，增加了油井的生產(chǎn)成本。針對電潛泵結(jié)構(gòu)特點，提升葉導(dǎo)輪水力性能指標，可直接拓寬電潛泵適用的排量范圍，適應(yīng)油井提液需求，降低換大泵頻次。葉導(dǎo)輪性能的好壞對離心泵性能影響很大，研究表明葉導(dǎo)輪的水力損失占離心泵水力總損失的40%～50%[2]。設(shè)計水力性能優(yōu)良的寬幅電潛泵葉導(dǎo)輪，就必須運用流場分析軟件，并對設(shè)計結(jié)果進行多次優(yōu)化[3-6]，比較通用且有效的方法為數(shù)值模擬結(jié)合樣件試驗論證。本文應(yīng)用CFTurbo及有限元分析軟件，對寬幅電潛泵葉導(dǎo)輪開展了結(jié)構(gòu)設(shè)計和流場模擬分析，并采用3D打印技術(shù)和鑄造方法對樣件進行試制，開展水力性能測試，以期為后續(xù)現(xiàn)場應(yīng)用提供參考。

1 實體建模

寬幅電潛泵舉升單元由1個葉導(dǎo)輪和1個葉導(dǎo)殼組成，流體舉升時，葉導(dǎo)殼靜止，軸承帶動葉導(dǎo)輪單一方向旋轉(zhuǎn)，通過高速旋轉(zhuǎn)的離心力將動能轉(zhuǎn)化為壓能，逐級傳遞將流體舉升至地面[7]。本文應(yīng)用CFTurbo軟件，選用三維模型建立寬幅電潛泵葉導(dǎo)輪及葉導(dǎo)殼模型，采用扭曲三角形法進行繪圖[8]。在建模計算前，做如下假設(shè)[9-10]：①不考慮氣液兩相流及油水混相流，僅考慮以水為單一介質(zhì)的單相流；②流體在葉導(dǎo)輪內(nèi)做不可壓縮的穩(wěn)態(tài)流動。

1.1 葉導(dǎo)輪參數(shù)設(shè)計

考慮渤海油田生產(chǎn)井產(chǎn)液量分布情況，產(chǎn)液量在100～400 m3/d的占比達50%以上，結(jié)合常規(guī)電潛泵的性能參數(shù)，設(shè)定寬幅電潛泵舉升單元額定排量288 m3/d，額定轉(zhuǎn)速2 850 r/min，額定點揚程≥4 m，額定點泵效≥60%。導(dǎo)葉片數(shù)6片，導(dǎo)殼外徑103 mm，軸徑22.2 mm。圖1為寬幅電潛泵葉導(dǎo)輪和葉導(dǎo)殼的三維模型。

圖1 寬幅電潛泵葉導(dǎo)輪和葉導(dǎo)殼三維模型

在設(shè)計過程中，葉導(dǎo)輪和導(dǎo)殼都屬于三維復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)，設(shè)計材質(zhì)選用鑄鐵合金，砂模鑄造成型，并配合拋光和噴砂整形等工藝，保證葉導(dǎo)輪和導(dǎo)殼的精確性。

1.2 數(shù)學(xué)建模與網(wǎng)格劃分

應(yīng)用CFTurbo軟件針對葉導(dǎo)輪進行數(shù)學(xué)模型建模。因葉導(dǎo)輪及葉導(dǎo)殼的葉片部分為三維扭曲結(jié)構(gòu)，需要對實體模型通過“二維→三維”的順序搭建實體模型，隨后設(shè)定葉導(dǎo)輪各項基本參數(shù)。研究表明，當級數(shù)≥2時各級葉輪的進口液體均是有旋運動[11-12]，隨著級數(shù)的增加(三級之后)，模型的單級揚程、效率和軸功率的參數(shù)值與第2級葉輪基本一致[13]，考慮模擬的準確性和時效性，本文采用三級模型進行數(shù)值模擬。

利用Ansys對葉導(dǎo)輪和葉導(dǎo)殼的水體區(qū)域進行網(wǎng)格劃分，相同模型的網(wǎng)格數(shù)量越多，模擬計算結(jié)果越準確，同等數(shù)量的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格比非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的計算精度更高，本文選用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對模型進行數(shù)值模擬，并對所有葉片的前端和尾部進行網(wǎng)格加密處理，如圖2所示。

圖2 葉導(dǎo)輪和葉導(dǎo)殼水體三維網(wǎng)格劃分

1.3 邊界條件

選用標準k-ε湍流模型，假設(shè)流動為完全湍流，忽略分子黏性的影響，這與預(yù)期設(shè)置流動介質(zhì)為單相純水液流吻合，并且該模型對于三維旋轉(zhuǎn)流動具有很好的效果[14]。在進口端面給定進口排量，進口湍動能k和湍動能耗散率ε為：

(1)

(2)

式中：uin為進口平均速度；lin為進口混合長度；Cμ為經(jīng)驗常數(shù)，取值0.09。

收斂精度選用1×10-4，保證三維模擬的計算準確率。邊界條件定義了進口、出口和壁面3個類型。本文預(yù)置液體為單相純水液流，葉片的進口處即為單一均相流動[15-16]。導(dǎo)葉、葉片和輪轂等為壁面邊界，不考慮葉導(dǎo)殼本體和泵之間的空隙，因此模型為一個整體壁面模型。葉輪、葉片和流道內(nèi)均認定為絕熱無滑移邊界[17]，壁面粗糙度為12.5 μm。

2 仿真結(jié)果與分析

對三維建模的寬幅電潛泵葉導(dǎo)輪和葉導(dǎo)殼內(nèi)部湍流，應(yīng)用有限元軟件進行數(shù)模計算與結(jié)果分析，得到內(nèi)部的壓力場和速度場，并計算不同排量下的揚程和效率，與樣件試驗數(shù)據(jù)進行比較。

本文模型針對3級葉導(dǎo)輪進行模擬，為保證數(shù)據(jù)真實性和準確性，參考電潛泵高效區(qū)范圍參數(shù)，對共計10個模型的不同工況點均進行了模擬計算，以排量為變量(0.35Q額定～1.6Q額定)，其余參數(shù)保持不變，以最終設(shè)計泵(葉片包角60.8～60.5°均勻變化，葉片厚度1.2～1.5 mm均勻變化)進行分析。

2.1 壓力場

葉導(dǎo)輪工作狀態(tài)下的壓力分布是判定葉導(dǎo)輪性能的重要指標[18]。對葉導(dǎo)輪舉升單元流場進行三維湍流數(shù)值模擬分析，得到葉導(dǎo)輪表面流體壓力場分布，如圖3所示。

從圖3中可以看出，在不同排量工況下，葉片對流體做功，將離心力轉(zhuǎn)化為壓力，葉導(dǎo)輪入口端至出口端壓力不斷增大，并在葉導(dǎo)輪出口端達到單級舉升單元的最大值，符合水力機械流動規(guī)律。隨著排量的升高，出口壓力值逐漸降低，呈現(xiàn)出揚程逐步下降的趨勢。葉片在小排量工況(0.35Q額定)時，葉片出口位置存在局部“壓力指進”現(xiàn)象，表現(xiàn)為壓力梯度較大；在大排量工況(1.6Q額定)時，葉片背部存在明顯的低壓區(qū)域，這是由于在偏離額定工況較多時，液體流向和出口安放角不吻合，形成了沖擊現(xiàn)象，在小排量工況和大排量工況下均導(dǎo)致整體泵效降低。

圖3 寬幅葉導(dǎo)輪壓力場分析

2.2 速度場分析

圖4為葉導(dǎo)輪舉升單元內(nèi)流體速度矢量場分布圖，分別模擬了小排量工況、額定排量工況和大排量工況條件下的速度場。從圖4中可以看出，在不同排量工況下，模型葉片的入口處速度最低，從入口向出口方向逐漸增大，流道的外邊緣出口速度高于內(nèi)邊緣，這是離心力作用的結(jié)果。在小排量工況條件下，葉輪模型葉片的背面均出現(xiàn)了明顯的流動分離現(xiàn)象，漩渦區(qū)域面積較大，這會導(dǎo)致泵效降低，水力效率下降；在大排量工況條件下，葉輪模型葉片背面的流動分離現(xiàn)象減弱，漩渦區(qū)域面積減??；在額定排量工況附近，流道內(nèi)均未出現(xiàn)漩渦，但仍有輕微的流動分離現(xiàn)象，水力效率達到最大值。由于葉片的三維扭曲和流道內(nèi)外流動速度不一致，葉片背面的流動分離現(xiàn)象是不可消除的，但可通過結(jié)構(gòu)調(diào)整降低這種現(xiàn)象的影響，流動分離現(xiàn)象是導(dǎo)致水力效率降低的主要因素。

圖4 寬幅葉導(dǎo)輪速度場分析

2.3 數(shù)值模擬與試驗對比

為驗證數(shù)值模擬計算結(jié)果是否準確，應(yīng)用常規(guī)鑄鐵鑄造樣件對數(shù)模結(jié)果進行1:1開模試制，同時應(yīng)用3D打印技術(shù)進行樣件試制，測試該技術(shù)在葉導(dǎo)輪水力性能測試中的表現(xiàn)。圖5為寬幅葉導(dǎo)輪和導(dǎo)殼的3D打印樣件和鑄造樣件模型。

圖5 寬幅葉導(dǎo)輪和導(dǎo)殼3D打印樣件及鑄造樣件模型

試驗選用水泵性能測試臺，測試泵的輸入轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、泵進口壓力、泵出口壓力、泵出口排量、電機功率和揚程等參數(shù)。測試臺主要由控制柜、電機、水箱和試驗泵構(gòu)成，并配有轉(zhuǎn)矩傳感器、壓力傳感器、流量計、溫度計和出口流量調(diào)節(jié)閥等。

通過泵的性能測試，得到了3D打印樣件和鑄造樣件在不同排量下的揚程、功率和水力效率，如表1～2所示。

表1 3D打印樣件水力性能測試參數(shù)

在3D打印樣件和鑄造樣件的試驗過程中，葉輪采用單級浮動安裝方式，并選用端面密封，試驗密封性能良好。從試驗結(jié)果可看出，在額定排量Q=288 m3/h條件下，3D打印樣件測試揚程4.64 m，水力效率62.87 %；鑄造樣件測試揚程4.87 m，水力效率65.83 %；數(shù)值模擬在相同排量工況下預(yù)測揚程4.92 m，水力效率66.7 %。三者隨排量的變化趨勢一致，鑄造樣件和數(shù)值模擬結(jié)果誤差更小，證明本文數(shù)值模擬結(jié)果具有較高的精度和一致性。

表2 鑄造樣件水力性能測試參數(shù)

因試驗臺試驗?zāi)Ｐ捅眉墧?shù)與數(shù)模泵級數(shù)不同，需將數(shù)值模擬與試驗臺測試獲得的預(yù)測揚程和功率等參數(shù)結(jié)果統(tǒng)一，再根據(jù)揚程和功率計算出效率，并進行參數(shù)對比分析。數(shù)值模擬計算結(jié)果與試驗臺測試結(jié)果對比如圖6。

圖6 數(shù)值模擬與樣件水力性能測試結(jié)果對比

3種試驗與數(shù)值模擬結(jié)果雖然趨勢一致，但仍存在誤差。鑄造樣件與數(shù)學(xué)模型結(jié)果誤差的主要原因為：①數(shù)學(xué)模型對主要部件的建模精度較高，但對葉輪進口和出口位置的參數(shù)進行了簡化，且未考慮流道壁面粗糙度對流體流動的影響，造成了誤差；②數(shù)學(xué)模型忽略了泵的漏失影響，導(dǎo)致數(shù)學(xué)模型結(jié)果優(yōu)于實際測試結(jié)果。因此，在后續(xù)計算過程中，應(yīng)根據(jù)實際情況對建模參數(shù)再度優(yōu)化，提高模擬精度。

3D打印樣件與鑄造樣件存在誤差的主要原因為：①3D打印樣件成品的表面粗糙度和精度相比于鑄造樣件低，導(dǎo)致漏失增多，機械損失增大；②3D打印樣件材料為ABS，鑄造樣件材料為鑄鐵，減磨墊材質(zhì)為CEF酚醛布板，當3D打印樣件裝配減磨墊進行水力性能測試時，隨著測試時間延長，3D打印樣件會出現(xiàn)一定程度的磨損，導(dǎo)致水力性能參數(shù)值偏差增大。

在泵額定排量工況條件下，數(shù)值模擬得到的效率與鑄造樣件的試驗差約1.3% ，在誤差允許的范圍內(nèi)，這證明了用數(shù)值模擬方法來預(yù)測寬幅電潛泵水力特性的可行性，并驗證了此設(shè)計方法準確。同時，對比3D打印樣件和鑄造樣件的試驗結(jié)果，誤差值約4.5%，數(shù)值模擬結(jié)果和3D打印樣件誤差值為6.1%。雖然結(jié)果存在一定誤差，但三者試驗結(jié)果隨排量變化的趨勢一致，且3D打印樣件費用低，周期短，適合進行多輪次葉導(dǎo)輪優(yōu)化設(shè)計與性能測試，為最終設(shè)計方案節(jié)約時間，提供依據(jù)。

2.4 寬幅電潛泵樣件與常規(guī)電潛泵樣件對比

針對目前海上油田實際應(yīng)用的常規(guī)電潛泵高效區(qū)排量范圍窄、大排量點揚程較低的現(xiàn)狀，結(jié)合提液增產(chǎn)實際需求并綜合上述研究，從影響葉導(dǎo)輪性能的結(jié)構(gòu)尺寸和三維性能參數(shù)等角度進行葉導(dǎo)輪參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計，研制出高效區(qū)流量100 ～450 m3/d的寬幅電潛泵葉導(dǎo)輪，該葉導(dǎo)輪與相近額定排量的常規(guī)電潛泵葉導(dǎo)輪性能對比參數(shù)如圖7。

由圖7可以看出：①相同排量下，寬幅電潛泵葉導(dǎo)輪水力效率均高于常規(guī)電潛泵葉導(dǎo)輪，額定點排量為288 m3/d，寬幅電潛泵水力效率比常規(guī)電潛泵水力效率高10.21%；②揚程曲線中，在額定點排量之前，常規(guī)電潛泵單級葉導(dǎo)輪揚程高于寬幅電潛泵，隨著排量增大，寬幅電潛泵單級葉導(dǎo)輪揚程下降趨勢更緩，在排量超過380 m3/d后，寬幅電潛泵單級葉導(dǎo)輪揚程高于常規(guī)電潛泵；③常規(guī)電潛泵單級葉導(dǎo)輪高效區(qū)流量150～418 m3/d，寬幅電潛泵單級葉導(dǎo)輪高效區(qū)流量100～458 m3/d，高效區(qū)拓寬15.7%，更有利于生產(chǎn)井提液穩(wěn)產(chǎn)時井液的舉升。

圖7 寬幅電潛泵和常規(guī)電潛泵單級葉導(dǎo)輪水力性能對比曲線

3 結(jié)論

1) 基于CFTurbo和有限元分析軟件給出寬幅葉導(dǎo)輪建模和邊界條件的界定方法，通過數(shù)值模擬得到了內(nèi)部壓力場和速度場分布規(guī)律，減少壓力局部“壓力指進”現(xiàn)象和速度的渦流與流動分離現(xiàn)象可提升葉導(dǎo)輪性能。

2) 數(shù)值模擬預(yù)測結(jié)果在小排量和額定排量工況與3D打印樣件及鑄造樣件試驗結(jié)果吻合度較高，額定排量工況下，數(shù)值模擬預(yù)測結(jié)果與3D打印樣件及鑄造樣件差值分別達到6.1%和1.3%。在大排量工況下偏差增大，這是由于樣件在大排量工況下存在漏失，從而對泵的水力性能參數(shù)影響增大。在后續(xù)數(shù)值模擬過程中應(yīng)考慮泵的間隙漏失，提高模擬結(jié)果精度。

3) 3D打印樣件試驗結(jié)果與鑄造樣件在額定排量工況點的誤差值約4.5%，誤差較小，且水力性能曲線隨排量變化的趨勢一致。 3D打印樣件費用低，周期短，適合進行多輪次葉導(dǎo)輪優(yōu)化設(shè)計與性能測試，為最終設(shè)計方案提供試驗參數(shù)依據(jù)并縮短設(shè)計周期。

4) 對比寬幅電潛泵和常規(guī)電潛泵單級葉導(dǎo)輪性能測試結(jié)果，可以看出在額定點排量工況下，寬幅電潛泵比常規(guī)電潛泵水力效率高10.21%；寬幅電潛泵單級葉導(dǎo)輪高效區(qū)流量100～458 m3/d，相比于常規(guī)電潛泵單級葉導(dǎo)輪，高效區(qū)范圍拓寬15.7%，達到預(yù)期設(shè)計要求。寬幅電潛泵葉導(dǎo)輪舉升單元裝配形成寬幅電潛泵后，更有利于生產(chǎn)井提液穩(wěn)產(chǎn)時井液的舉升。