導葉葉片數(shù)對多相混輸泵內(nèi)能量損失的影響

史廣泰，趙志偉，朱哲瑜，周銘豪

(西華大學能源與動力工程學院，四川成都 610039)

0 前言

隨著海洋石油工業(yè)的飛速發(fā)展，油氣水多相混輸技術對于簡化海上處理工藝、縮小平臺面積、節(jié)約平臺建設投資、提高海上油氣田開發(fā)效益有越來越重要的意義。在原油的開采過程中，多相混輸系統(tǒng)具有顯著的技術優(yōu)勢和廣泛的應用范圍，與傳統(tǒng)的氣液兩相傳輸系統(tǒng)相比，它具有結構簡單、操作方便和投資小等優(yōu)點，一直以來都是世界各國研究的熱門領域之一。

國內(nèi)目前僅有少數(shù)幾所高校對螺旋軸流式多相混輸泵進行了相關研究，LIU等在對多相泵內(nèi)氣液兩相流動的研究中發(fā)現(xiàn)，多相泵內(nèi)氣液兩相流動的數(shù)值模擬除了阻力外，還需要虛擬質量力、升力和湍流彌散力；LI等針對多相混輸泵的單個壓縮級單元比較不同氣體體積分數(shù)的外特性變化，發(fā)現(xiàn)隨著GVF的增大，壓差減小，水力效率降低；劉小兵等分析小流量工況下混輸泵的輸運性能，發(fā)現(xiàn)葉片進口繞流和動靜干涉對葉輪內(nèi)的流動分離產(chǎn)生較大的影響,同時旋渦形成的低壓區(qū)會加劇進口空化、降低泵的混輸性能；張文武等對混輸泵全流道內(nèi)流場特性進行分析，發(fā)現(xiàn)導葉內(nèi)的氣體均在輪轂處聚集,且沿著流動方向,輪轂處的氣體逐漸向主流區(qū)擴散；張人會等通過對混輸泵導葉內(nèi)非定常流動的分析，發(fā)現(xiàn)動靜干擾作用對導葉下游流動影響較小，導葉葉高較大的截面上,流速越高,則含氣量越低；史廣泰等對多相混輸泵內(nèi)部流動及做功能力進行了研究，研究發(fā)現(xiàn)混輸泵內(nèi)葉輪前1/3段是進行能量轉換的主要部位，且葉輪靠近輪緣處的能量轉化能力要強于輪轂處，流動不穩(wěn)定性較大，在氣液兩相下動靜干涉作用仍是引起混輸泵內(nèi)壓力脈動的主要因素；王慶方等通過不同流量與多相混輸泵首級動葉輪氣相分布關系的研究，發(fā)現(xiàn)不同流量下氣相在首級動葉輪不同葉高進口附近變化劇烈,流量對葉片后半段氣體體積分布影響較大；SHI等分析了氣體體積分數(shù)對多相泵各空化階段能量損失特性的影響，發(fā)現(xiàn)多相泵臨界空化系數(shù)隨GVF增大而減小，且葉輪流體域的總損失和摩擦損失與總流動損失的比值隨著空化的發(fā)展逐漸增大；JIANG等對多相泵靜葉輪內(nèi)的流動特性和能量損失進行研究，發(fā)現(xiàn)靜態(tài)葉輪內(nèi)部主要損失為湍流耗散損失和摩擦損失；HUANG等研究流量對多相泵內(nèi)湍流耗散率分布的影響，發(fā)現(xiàn)湍流耗散率較大的區(qū)域主要在旋轉葉輪和靜止葉輪的進出口；YAO等以混輸泵的兩級壓縮單元為模型研究葉片數(shù)和包角對混輸泵外特性的影響，探討不同入口氣體體積分數(shù)對泵內(nèi)外特性的影響；SHI等通過研究空化、氣體體積分數(shù)對混輸泵的影響，發(fā)現(xiàn)隨著空化的發(fā)展葉輪內(nèi)的湍流耗散損失逐漸減小，隨著GVF的增大擴壓器內(nèi)氣相聚集更加明顯，氣相體積分數(shù)從輪緣到輪轂逐漸增大。

綜上所述，國內(nèi)外對于導葉葉片數(shù)對螺旋軸流式多相混輸泵內(nèi)能量損失影響的研究還相對較少，實際運行中混輸泵內(nèi)存在各種能量損失，且導葉葉片數(shù)會對各能量損失產(chǎn)生影響，故開展導葉葉片數(shù)對螺旋軸流式多相混輸泵內(nèi)能量損失的研究顯得十分重要。鑒于此，在不同導葉葉片數(shù)下對混輸泵內(nèi)的流動特性進行數(shù)值模擬計算，得到不同工況下多相混輸泵外特性及其內(nèi)能量損失的變化規(guī)律，為多相混輸泵的做功性能的改善設計提供了參考。

1 計算模型

選用自主設計的螺旋軸流式多相混輸泵為研究對象，該泵設計參數(shù)如下：流量=100 m/h，轉速=3 000 r/min，級數(shù)1級，效率=38%，介質溫度常溫。

應用三維建模軟件對混輸泵的葉輪、導葉和進出口延長段等過流部件進行建模，最后將建好的模型進行裝配，多相混輸泵整體水力模型組裝圖如圖1所示。

圖1 多相混輸泵整體水力模型組裝圖

2 數(shù)值計算方法及邊界條件

2.1 湍流模型

文中考慮到計算時間及成本等因素，選用SST-湍流模型。SST-模型在標準-模型基礎上考慮了剪切應力對湍流流動的影響，修改了湍流黏性方程，能夠處理近壁區(qū)域的自由流動問題，與標準-模型相比，精度更高，可信度更好。

SST-模型表達式如下：

(1)

-+

(2)

為了使用SST-模型解決一些流動問題中出現(xiàn)局部區(qū)域過度湍流現(xiàn)象，在湍流耗散率方程中增加了新的湍流耗散項：

(3)

式中：為與壁面的距離;為時間;為密度;為速度;為比耗散率;為湍動能;、、為坐標;、、分別為湍動能、比耗散率的產(chǎn)生項和擴散項;、為湍動能、比耗散率對應的普朗特常數(shù);為經(jīng)驗常數(shù)。

2.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件

采用TurboGrid對葉輪和導葉進行網(wǎng)格劃分，葉輪和導葉網(wǎng)格數(shù)分別在103萬和100萬左右；采用ANSYS ICEM對進出口延長段進行六面體結構網(wǎng)格劃分，葉輪、導葉和進出口延長段結構網(wǎng)格如圖2所示?？紤]數(shù)值計算的收斂性等因素，對計算網(wǎng)格進行無關性驗證，最終采用300萬網(wǎng)格進行計算。

圖2 葉輪、導葉和進出口延長段區(qū)域網(wǎng)格圖

選用基于SST-湍流模型，計算域采用速度進口、壓力出口邊界條件，含氣率9%，壁面采用無滑移壁面殘差，收斂標準為10。在不同流量工況(70、80、90、100、110 m/h)下，對導葉葉片數(shù)為7、8和10時的螺旋軸流式多相混輸泵進行數(shù)值模擬。

3 計算結果及分析

3.1 導葉葉片數(shù)對混輸泵外特性的影響

圖3為不同導葉葉片數(shù)下的流量-揚程曲線。可看出：在不同導葉葉片數(shù)下，多相混輸泵的揚程都呈現(xiàn)出相似的變化趨勢，即隨著流量的增大逐漸地減小。在小流量工況下(70～90 m/h)，導葉數(shù)為7和10時多相混輸泵的揚程隨流量的增加先快速下降然后變緩，而導葉數(shù)為8時一直緩慢下降，且導葉數(shù)等于10時的揚程最低。而在流量為90～110 m/h的范圍內(nèi)，多相混輸泵的揚程均隨著導葉葉片數(shù)的增加而急劇降低，且導葉數(shù)為10時降低得更快?？梢姡攲~葉片數(shù)為10時的揚程明顯低于其他兩個方案。

圖3 不同導葉葉片數(shù)下的流量-揚程曲線 圖4 不同導葉葉片數(shù)下的流量-水力效率曲線

圖4為不同導葉葉片數(shù)下的流量-水力效率曲線?？煽闯觯憾嘞嗷燧敱玫乃π孰S著流量的增加呈先增加后減小的趨勢，不同導葉葉片數(shù)下，多相混輸泵外特性曲線的最高效率點均在設計流量附近。且當流量大于90 m/h時，導葉葉片數(shù)為7和8時的水力效率非常接近，導葉葉片數(shù)為10時的水力效率相較于其他兩個方案有明顯降低，且其最高效率點偏向于小流量工況。這說明導葉葉片數(shù)增大時，多相混輸泵中導葉體的表面積增大，排擠作用增強，導致混輸泵中水力損失增多，故多相混輸泵的效率下降。

3.2 導葉葉片數(shù)對混輸泵內(nèi)能量損失的影響

3.2.1 葉輪內(nèi)的水力損失

圖5為不同導葉葉片數(shù)下葉輪進口的沖擊損失?？煽闯觯寒斄髁康陀?0 m/h時，導葉葉片數(shù)為7和10時混輸泵葉輪進口的沖擊損失大于導葉葉片數(shù)為8時，且導葉葉片數(shù)為7時葉輪進口的沖擊損失最大；當流量大于90 m/h時，3種導葉葉片數(shù)方案下的葉輪進口沖擊損失相差不大，說明流量較大時，導葉葉片數(shù)對多相混輸泵葉輪進口的沖擊損失的影響不大。

圖5 不同導葉葉片數(shù)下葉輪進口的沖擊損失

圖6為不同導葉葉片數(shù)下葉輪內(nèi)的收縮損失?？煽闯觯弘S著流量的增加3種導葉葉片數(shù)方案下多相混輸泵葉輪內(nèi)的收縮損失都呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，且峰值點都在流量80 m/h附近。在流量小于90 m/h時，導葉葉片數(shù)為7和10時多相混輸泵葉輪內(nèi)的收縮損失較為接近，導葉葉片數(shù)為8時混輸泵葉輪內(nèi)的收縮損失略小于其他兩方案；當流量大于90 m/h時，3種導葉葉片數(shù)方案下混輸泵葉輪內(nèi)的收縮損失都較為接近?？傮w來看，導葉葉片數(shù)為8時混輸泵葉輪內(nèi)的收縮損失最小。

圖6 不同導葉葉片數(shù)下葉輪內(nèi)的收縮損失 圖7 不同導葉葉片數(shù)下葉輪內(nèi)的湍流耗散損失

圖7為不同導葉葉片數(shù)下葉輪內(nèi)的湍流耗散損失。可看出:當流量小于90 m/h時，導葉葉片數(shù)為7時多相混輸泵葉輪內(nèi)的湍流耗散損失明顯大于導葉葉片數(shù)為10時，且流量越小差別越大。還可以發(fā)現(xiàn)當流量大于90 m/h時，導葉葉片數(shù)為7和10時混輸泵葉輪內(nèi)的湍流耗散損失相接近且大于導葉葉片數(shù)為8時。整體而言當導葉葉片數(shù)為8時葉輪內(nèi)的湍流耗散損失最小。從圖7還可以看出：各導葉葉片數(shù)下葉輪內(nèi)的湍流耗散損失變化幅值較大，導葉葉片數(shù)為7時葉輪內(nèi)的湍流耗散損失變化幅值最大，高達0.69 m。

3.2.2 導葉內(nèi)的水力損失

圖8為不同導葉葉片數(shù)下導葉進口的沖擊損失?？煽闯觯?種導葉葉片數(shù)下多相混輸泵導葉進口的沖擊損失隨著流量的增加逐漸減小，且在3種導葉葉片數(shù)下，多相混輸泵導葉進口的沖擊損失都幾乎相同，說明導葉葉片數(shù)對多相混輸泵導葉進口的沖擊損失影響較小，可不予考慮。

圖8 不同導葉葉片數(shù)下導葉進口的沖擊損失 圖9 不同導葉葉片數(shù)下導葉內(nèi)的收縮損失

圖9為不同導葉葉片數(shù)下導葉內(nèi)的收縮損失?？煽闯?3種導葉葉片數(shù)下多相混輸泵導葉內(nèi)的收縮損失都隨著流量的增加逐漸減小。當流量小于80 m/h時，導葉葉片數(shù)為8和10時混輸泵導葉內(nèi)的收縮損失比較接近，且兩者導葉內(nèi)的收縮損失均小于導葉葉片數(shù)為7時;當流量大于80 m/h小于90 m/h時，各導葉葉片數(shù)下導葉內(nèi)的收縮損失相差不大;當流量大于90 m/h時，導葉葉片數(shù)為8時混輸泵導葉內(nèi)的收縮損失最小，導葉葉片數(shù)為7時相對較大。

圖10為不同導葉葉片數(shù)下導葉內(nèi)的湍流耗散損失?？煽闯觯弘S著流量的增加導葉葉片數(shù)為8和10時多相混輸泵導葉內(nèi)的湍流耗散損失都隨著流量的增加逐漸減小，且兩導葉葉片數(shù)下混輸泵導葉內(nèi)的湍流耗散損失相差不大；而導葉葉片數(shù)為7時混輸泵導葉內(nèi)的湍流耗散損失隨著流量的增加波動性較大。當流量小于80 m/h時，導葉葉片數(shù)為7時混輸泵導葉內(nèi)的湍流耗散損失明顯高于導葉數(shù)為8和10時；當流量大于80 m/h小于90 m/h時，導葉葉片數(shù)為7時混輸泵導葉內(nèi)的湍流耗散損失明顯小于導葉數(shù)為8和10時；當流量大于90 m/h時，導葉葉片數(shù)為7時導葉內(nèi)的湍流耗散損失明顯大于導葉數(shù)為8和10時。

圖10 不同導葉葉片數(shù)下導葉內(nèi)的湍流耗散損失

4 結論

(1)當導葉葉片數(shù)為10時混輸泵的揚程和水力效率均明顯低于導葉葉片數(shù)為7和8時，且其最高效率點偏向于小流量工況?？梢姡攲~葉片數(shù)為10時的外特性明顯變差。

(2)不同流量下，導葉葉片數(shù)為8時混輸泵葉輪內(nèi)的收縮損失和湍流耗散損失最小，而導葉葉片數(shù)對導葉進口的沖擊損失影響很小，可不予考慮其影響。

(3)綜合全文分析可知，當導葉葉片數(shù)等于8時混輸泵的外特性最優(yōu)，且其流道內(nèi)的能量損失最小。