動葉片重疊系數(shù)對油氣混輸泵效率的影響

馬希金,劉高博,胡忠輝,雷 盛,李新凱

(蘭州理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院,蘭州730050) *

動葉片重疊系數(shù)對油氣混輸泵效率的影響

馬希金,劉高博,胡忠輝,雷 盛,李新凱

(蘭州理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院,蘭州730050)*

應(yīng)用Fluent流場模擬軟件對軸流式油氣混輸泵在不同的動葉片重疊系數(shù)和不同含氣率下進(jìn)行流場模擬,得出其動葉、靜葉壓力場及速度分布,進(jìn)而得到不同工況下整機效率及揚程曲線。動葉片重疊系數(shù)大于1的整機效率明顯高于動葉片重疊系數(shù)等于1的整機效率。為了提高整機性能,應(yīng)選擇動葉片重疊系數(shù)大于1。

動葉片重疊系數(shù);壓力分布;速度分布;含氣率;整機效率

油氣混輸泵在輸送氣液混合物時,氣泡的運動情況對泵的性能有很大影響。隨著氣泡在泵中葉輪內(nèi)聚集的情況不同,可能造成泵效率下降,甚至使泵的運行不穩(wěn)定或產(chǎn)生斷流[1-2]。以 YQH-100型多級油氣混輸泵為研究對象,分析在不同動葉片重疊系數(shù)下,不同含氣率對油氣混輸泵效率的影響[3]。

1 動葉片重疊系數(shù)

壓縮級動葉的設(shè)計采用奇點分布法,壓縮級靜葉的設(shè)計采用流線法,通過對不同動葉片重疊系數(shù)在不同含氣率下壓縮級壓力、速度的模擬分析,得出其對效率的影響。選用 YQH-100型多級油氣混輸泵為樣機進(jìn)行分析,流量100 m3/h、揚程85 m、轉(zhuǎn)速2 950 r/min、軸功率55 kW、含氣率0～0.8、效率33%、動葉輪葉片數(shù)4、靜葉輪葉片數(shù)9、單級增壓0.1～0.4 MPa、級數(shù)5級。

1) 軸流式氣液兩相流泵的揚程預(yù)測公式為[4-5]

式中,

2) 效率預(yù)測

式中,Hm為混熟泵揚程,m;M為動量,N·m;n為轉(zhuǎn)速,r/min;mtp為質(zhì)量流量,kg/s;mtp=qvgρqg+qulρvlg;qvg和qvl分別為氣相、液相體積流量,m3/s。

3) 重疊系數(shù)m表明葉片的重疊程度。m>1時葉片相互重疊,m<1時葉片間沒有重疊。

重疊系數(shù)與葉片稠密度的關(guān)系為

2 模型創(chuàng)建與網(wǎng)格劃分

單個壓縮級由1個動葉輪和1個靜葉輪組成。

2.1 創(chuàng)建葉輪模型

葉輪模型的創(chuàng)建步驟:①計算比轉(zhuǎn)速,估算效率確定轉(zhuǎn)速;②確定輪轂比、葉輪直徑及葉片數(shù);③確定計算截面,取3個等距截面;④葉片進(jìn)口來流方向設(shè)為法向,計算出軸面速度和葉輪出口速度環(huán)量分布規(guī)律;⑤選擇幾何參數(shù)l/τ,δ/l等;⑥計算各截面翼型厚度坐標(biāo);⑦畫出葉片各截面翼型圖,并轉(zhuǎn)換成柱面坐標(biāo);⑧將所得坐標(biāo)導(dǎo)入U G中,生成樣條曲線,利用曲線網(wǎng)格命令,生成曲面,縫合,得到如圖1所示葉片三維模型[6-7]。

以“公眾參與環(huán)境規(guī)劃與決策”模塊中的“嘉興模式中的公眾參與環(huán)境治理及其在浙江的可推廣性（嘉興模式項目）”為例。該項目主辦方是浙江省環(huán)境宣傳教育中心 (CEECZJ），合作伙伴為荷蘭國際社會質(zhì)量協(xié)會、英國格拉斯哥大學(xué)、英國利茲大學(xué)、浙江大學(xué)和浙江工商大學(xué)，項目期為2012年9月至2015年3月。

圖1 葉片三維模型

2.2 數(shù)值方法

流場模擬液相用水來代替油,氣相為空氣。紊流計算采用標(biāo)準(zhǔn)k -ε模型[8]。速度-壓力耦合計算采用simple算法,非定常計算采用一階精度隱式時間項,近壁面處理使用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù),多相流計算采用歐拉模型,液體為連續(xù)相,氣體為離散相。

2.3 邊界條件

設(shè)定進(jìn)口速度為1.47 m/s,給定出口壓力為0.21 MPa,出口平面垂直方向各個變量梯度為零,滿足流量守恒條件。壁面由葉片工作面、背面、輪轂組成。假設(shè)壁面無速度滑移,湍流脈動為零,葉片及動葉輪部分輪轂設(shè)為旋轉(zhuǎn)面,其余面設(shè)為靜止面。在網(wǎng)格的分界面,即動葉與靜葉流體交界處,通過分界面的流量由2個分界面的區(qū)域面積計算。

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

對動葉片重疊系數(shù)m>1和m=1兩種情況下不同含氣率的動葉片、靜葉片壓力場和速度矢量進(jìn)行了流場模擬[9],模擬結(jié)果如圖2～5所示。

圖2 2種重疊系數(shù)含氣率為零時葉片表面靜壓分布

圖3 2種重疊系數(shù)含氣率為零時葉片表面速度矢量分布

圖4 2種重疊系數(shù)含氣率0.5時葉片表面靜壓分布

圖5 2種重疊系數(shù)含氣率0.5時葉片表面速度矢量分布

3.1 靜壓力

由圖2、圖4可知,m>1的動葉片背面前端有著較大范圍的低壓區(qū),工作面的尾部壓力分布較不均勻,壓力梯度較大,而且壓力梯度隨著含氣率的增大而增大。2種重疊系數(shù)下動葉工作面的靜壓均成徑向分布,而且半徑越大,靜壓力越大。各含氣率下,動葉背面的壓力均沿軸向分布,靜葉背面的壓力低于工作面壓力,靜壓壓力沿葉片方向的壓力梯度隨著含氣率的增大而減小。m>1時壓力沿靜葉片背面分布均勻,m=1時靜葉片背面中部在低含氣率時靠近輪轂和輪緣處出現(xiàn)壓力陡增的2個區(qū)域。

3.2 葉片表面速度

由圖3、圖5可知,流體對葉片葉根部的沖擊較小,m=1的動葉片頭部產(chǎn)生沖擊的范圍比m>1時大。受葉片周期性的影響,動葉片重疊系數(shù) m>1時動葉片背面輪緣處的中部及重疊系數(shù)m=1時動葉片輪緣處尾部速度明顯較大。受到前、后級不同設(shè)計參數(shù)動葉片的影響,m>1時靜葉片背面產(chǎn)生了徑向漩渦,頭部的流動沖擊小,工作面流動混亂,尾部輪緣受到下級動葉速度較大的沖擊,通過葉片頭部的輪轂處形成一股強列的射流,沿葉根部逆流而上,進(jìn)入動靜葉輪之間的過度段,從而對過度段流動情況造成一定的影響。m=1的靜葉片背面產(chǎn)生了軸向漩渦,頭部沖擊比較大,葉片工作面由于沒有受到下級動葉頭部的沖擊,流動比較均勻。

3.3 外特性

對數(shù)值模擬的分析得到整機的效率曲線如圖6所示。

圖6 2種重疊系數(shù)整機效率與含氣率關(guān)系曲線

由圖6看出,2種重疊系數(shù)的效率均隨著含氣率的增加而降低,但重疊系數(shù) m>1的動葉效率明顯高于重疊系數(shù)m=1時的效率。在同樣增壓性能的條件下,重疊系數(shù)大的葉片更能適應(yīng)含氣率在較大范圍內(nèi)變化。當(dāng)然,重疊系數(shù)取得過大就會造成損失的增加,降低整機效率。

4 結(jié)論

1) 不同重疊系數(shù)的壓縮級動葉表面的壓力在各種含氣率下分布都比較均勻,靜葉片背面壓力分布有差異,m>1時靜壓分布較均勻。

2) 各含氣率下不同重疊系數(shù)所對應(yīng)的動葉面速度分布都比較均勻,流動情況比較理想。靜葉片表面的速度變化不大,但流動損失較大,是能量損失的主要部位。

3) 通過對不同重疊系數(shù)的內(nèi)部流動情況和效率分析知,m>1時整機的效率大于 m=1的效率,所以整機模型采用動葉片重疊系數(shù)>1的結(jié)構(gòu)。

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[2] 邵雙林.擺動轉(zhuǎn)子式油氣混輸泵的應(yīng)用與維護(hù)[J].石油礦場機械,2010,39(9):92-94.

[3] 薛敦松,朱宏武.螺旋軸流式油氣多相泵的應(yīng)用[J].石油礦場機械,1997(3):37-41.

[4] 黃 思,李汗強,班耀濤,等.葉片式氣液混輸泵揚程的一種估算方法[J].石油機械,1999,27(9):12,13-26.

[5] 李清平,薛敦松,朱宏武,等.螺旋軸流式多相泵的設(shè)計與實驗研究[J].工程熱物理學(xué)報,2005,26(1):84-87.

[6] 馬希金,曲 鑫,肖興均,等.軸流式油氣混輸泵葉片的三維建模[J].排灌機械,2008(1):15-17.

[7] 王 桃,嚴(yán) 敬.基于水利設(shè)計的軸流泵葉片的三維建模方法[J].蘭州理工大學(xué)學(xué)報,2010(3):69-72.

[8] 王瑞金,張 凱,王 剛.Fluent技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用實例[M].北京:清華大學(xué)出版社,2007.

[9] 李清平.螺旋軸流式多相泵原理機設(shè)計初探及其內(nèi)部氣液兩相流動的三維數(shù)值分析[D].北京:石油大學(xué),1998.

Effect of Moving Blade Overlapping Coefficients on Oil-G as Mixture Pump’s G as Transport Performance

MA Xi-jin,LIU Gao-bo,HU Zhong-hui,LEI Sheng,LI Xin-kai
(College of Fluid Power and Control,L anzhou University ofTechnology,L anzhou730050,China)

Using Fluent(computational fluid dynamics)software,the pressure field and velocity distribution of moving and static blade are derived by flow field simulation at overlapping coeffi

cient of different moving blade and different air voids,and the overall efficiency curve are shown at different working condition.The results show that:the overall efficiency of pump is higher than the coefficient of equal to 1,when the overlapping coefficient of moving blade is greater than 1. Therefore,the overall efficiency of the pump is improved by using the overlapping coefficient is greater than 1.

moving blade overlapping coefficients;pressure distribution;velocity distribution;air voids;overall efficiency

1001-3482(2011)05-0017-04

TE933.3

A

2010-11-18

甘肅省科技攻關(guān)項目(GK954-3-11)

馬希金(1958-),男,山西夏縣人,研究員,從事流體機械方面的研究。