分流葉片前緣形狀對葉片式混輸泵性能的影響

葉片式混輸泵在氣液工況下極易產生葉頂泄漏渦和氣液分離的情況，這會直接導致泵的性能下降，從而影響泵的輸送效率致使生產成本增加。針對上述問題，基于CFD仿真對泵的葉輪引入分流葉片進行改型，并探索分流葉片前緣形狀對泵性能的影響。研究結果表明：３種分流葉片前緣形狀下的模型揚程均高于原模型，其中以曲率連續方案的揚程最大，為10.85 m，揚程和效率相比原模型分別提高31.83%和2.58%；當分流葉片厚度減小時，分流葉片前半部抑制介質分離的能力得到提升，液相在分流葉片吸力面的附著力增強；受帶狀泄漏渦被抑制的影響，曲率連續方案下葉輪內介質流動紊亂程度低，該抑制量化為葉輪進口液相減阻5.07%和氣相減阻3.80%。研究結果可為后續混輸泵的優化設計提供參考。

葉片式混輸泵；分流葉片；前緣形狀；做功性能；介質受力

中圖分類號：TE974

文獻標識碼：A

DOI：10.16082/i.cnki.issn.1001-4578.2024.11.015

Influence of the Front Shape of Splitter Vanes on the

Performance of the Vane Type Multiphase Pump

Sun Dianxin

（CNPC Bohai Equipment Manufacturing Co.，Ltd.）

The vane type multiphase pump is prone to produce vane tip leakage vortex and gas-liquid separation under gas-liquid conditions，which directly leads to reduced pump performance，thereby affecting the pump delivery efficiency and increasing the production costs.To solve these problems，based on CFD simulation，the splitter vanes of pump impeller were modified，and the influence of the front shape of splitter vanes on pump performance was investigated.The results show that the models with 3 front shapes of splitter vanes yield higher delivery head than the original model.Typically，the model with continuously curved splitter vane has the highest delivery head of 10.85 m and the efficiency of 33.76%，which are 31.83% and 2.58% respectively higher than the original model.When the thickness of the splitter vanes decreases，the ability of the front half of the splitter vane to suppress medium separation is improved，and the adhesion of the liquid phase on the suction surface of the splitter vane is enhanced.Affected by the suppressed banded leakage vortex，the turbulence degree of medium flow in the impeller is low in case of continuously curved splitter vane，and the suppression is quantified as 5.07% liquid phase drag reduction and 3.80% gas phase drag reduction at the impeller eye.The research results provide reference for the subsequent optimization design of multiphase pumps.

vane type multiphase pump；splitter vane；front shape；work performance；force on medium

0" 引" 言

受新冠疫情的影響全球能源發展面臨著極大的壓力［1-3］。在此大環境下，擁有豐富陸地礦產資源和雄厚的深海油氣資源的國家都將節能減排列入了長遠發展計劃內［4］，而對開采能源的技術進行探索是促進高效發展的關鍵。混輸泵作為混輸技術的核心設備［5-6］，具備高的可靠性尤為重要。

孫殿新：分流葉片前緣形狀對葉片式混輸泵性能的影響

目前，學者們對混輸泵結構參數已開展大量深入研究。史廣泰等［7-8］研究泵發現，當增加葉輪葉片數時混輸泵的水力性能會下降。馬希金等［9-11］發現葉輪葉片傾斜角對揚程影響較大。史廣泰等［12］還對混輸泵的輪轂比進行了研究，發現隨著該參數的增加，葉輪內氣相聚集程度變小，導葉內旋渦和回流現象被減弱。左世鑫等［13-14］研究軸向間隙結構發現，增大該結構參數可使導葉內氣相分布更均勻，當軸向間隙系數為0.13時揚程和效率達到最高。SHU Z.K.等［15-16］分析了混輸泵內葉頂泄漏渦的三維時空演變過程、動力學特性。為獲取具備更優性能的混輸泵，學者們開始對該泵的結構進行改良。例如LIU M.等［17］采用五因素四水平正交優化法對混輸泵葉片幾何參數進行優化，使得混輸泵的氣體體積分數和壓力分布更加均勻。SHI G.T.等［18］研究發現葉片的后緣葉冠角對揚程和效率指標的影響最大。周勇勝等［19］對混輸泵葉輪出口進行了雙層流道結構優化，擴大了混輸泵的安全運行流量范圍。馬希金等［20］對混輸泵的導葉進行了雙導葉結構優化，提高了混輸泵的水力性能。張金亞等［21］對葉輪葉片進行了開孔設計，解決了在高含氣率下介質易發生分離現象的問題。TAN L.等［22］對混輸泵葉片尖端進行了T形葉片設計，提高了混輸泵效率、降低了葉頂泄漏量。

綜上所述，國內外學者對混輸泵內部流動特性已開展了大量深入的研究工作，但在優化改形設計方面均集中在參數優化上，對葉片改型鮮有引入加裝結構的研究。基于此現狀，本文將分流葉片設計法運用于混輸泵葉輪，研究分流葉片前緣形狀對葉輪做功性能和介質受力的影響。研究結果可為混輸泵的優化設計提供參考。

1" 研究對象

1.1" 物理模型

以葉片式混輸泵單個增壓單元葉片為研究對象，主要參數見表1。沿流動方向和輪轂到輪緣方向進行了歸一化處理，并在圖中做出了標記，如圖1所示。局部放大圖為葉輪與葉輪室之間的空隙，即葉頂間隙結構。

1.2" 分流葉片模型

采用兩因素三水平正交試驗原理，選擇分流葉片的安放位置和長度為分流葉片模型的2個正交試驗因素，進行分流葉片模型設計，保持分流葉片葉型、前尾緣、進出口安放角等參數與原葉片一致。為便于敘述，引入參數θ和ζ分別衡量分流葉片相對原葉片的安放位置和長度。設計所得分流葉片組合三維模型如圖2所示。

令θ=ωωi 、ζ=lLi。其中：ω為分流葉片壓力面與原葉片吸力面之間所對圓心角；ωi為兩原葉片所對圓心角，ωi=120°；l為分流葉片長度；Li為原葉片長度。

在分流葉片優化的過程中發現，當分流葉片靠近原葉片吸力面、長度適當增加時，葉片式混輸泵的揚程會顯著提升，被優化的增壓性能會更好，故選擇θ和ζ值分別為0.3和0.5的第3種方案作為最佳分流葉片葉輪模型。

2" 網格劃分及邊界條件設置

2.1" 網格劃分

為了獲得具有高可靠性的計算結果，這里采用ICEM軟件對進、出口延長管道進行六面體結構化網格劃分，再利用TurboGrid軟件對葉輪和導葉進行結構化網格劃分。

計算域各部件網格如圖3所示。經網格無關性驗證，最終確定網格數為3 091 818。

2.2" 邊界條件設置

氣相設置為離散相空氣（25 ℃），液相設為連續相純水，計算時將氣泡直徑設置為0.2 mm。設置旋轉件葉輪轉速為3 000 r/min，繞流動方向逆時針旋轉，其他部件設置為靜止域。旋轉件與靜止件之間存在2個交界面，設置其為“Frozen Rotor”模式。交界面選用“Specified pitch angles”模型進行交接。葉輪導葉和葉輪室、導葉室等固體壁面處設置為黏性流體無滑移條件［23-24］，壁面表面粗糙度選用“Smooth wall”。給定進出口邊界條件為速度進口，靜壓出口。

3" 試驗研究

為確保后續數值仿真結果的精確度與可靠性，根據研究需要在混輸泵試驗平臺以純水單相介質為研究對象，在設計轉速3 000 r/min、流量為80～120 m3/h工況下進行了試驗，采集混輸泵揚程、效率和功率的試驗值與仿真值進行對比，結果如圖4所示。由圖4可知，大多數工況下混輸泵的仿真值均高于試驗值。這是由于仿真時未考慮試驗中不可避免地存在泄漏及其他損失且還簡化了計算模型所致。除極個別工況存在隨機誤差外，其余工況的相對誤差均小于5%。因此，選取的數值仿真方法可行。

4" 結果分析

4.1" 分流葉片前緣改形方案的確定

將分流葉片前緣設計為圓形、橢圓以及曲率連續3種不同形狀，如圖5所示。依照上述分流葉片前緣改形方案，在最佳分流葉片模型上進行分流葉片前緣改形后，在進口含氣體積分數為10%、設計流量100 m3/h、葉頂間隙為1 mm的工況下進行數值模擬并分析。

4.2" 分流葉片前緣改形對混輸泵外特性的影響

表2為不同分流葉片前緣方案對混輸泵揚程、總效率和權重函數值的影響結果。

由表2可知，曲率連續分流葉片前緣下混輸泵外特性增幅最大，揚程和效率比原模型分別提高了31.83%和2.58%。

4.3" 分流葉片前緣改形對混輸泵內流特性的影響

圖6為不同分流葉片前緣方案對液相速度沿軸向流向系數分布的影響。由圖6可以發現：前緣方案對液相速度各方向上的分量影響較大；液相徑向速度沿流向的波動幅度下降，在區間1.2～1.5上以圓形和曲率連續方案最為平緩；液相軸向速度數值上在葉輪前半段減小后半段內增加，這將促進介質往出口流動；各前緣方案幾乎不對液相圓周速度沿流向系數的分布規律產生影響，但在葉輪后半部可顯著提升其速度值。

圖7為氣相體積分數沿軸向流向系數分布和葉輪進口中部和出口截面上的氣相分布。由曲線分布可知：在1.0～1.2區間上氣液混合流動過程中以曲率連續方案下混合最好、圓形方案次之；在1.2～2.0區間內受離心力和葉頂泄漏影響氣相發生聚集破碎，氣液介質發生分離混合變化，使得曲線呈現上升又下降的趨勢，但各方案下氣相體積分數均低于原模型，且以橢圓方案下最低、曲率連續方案次之，說明氣液分離被抑制。對比原模型和曲率連續方案下葉輪進口中部和出口截面的氣相體積分數發現，抑制變化主要是在進口縮減了聚集氣團的尺寸，使中部截面上靠近原葉片壓力面氣團移動到分流后的較寬流道中，出口截面上分布均勻性提升。同時，出口截面上聚集在原葉片尾緣附近的高體積分數區，曲率連續方案下出現在分流葉片尾緣附近，抑制了氣相聚集，使得葉輪流出能力增強。

4.4" 分流葉片前緣改形對葉輪做功性能的影響

圖8為不同分流葉片前緣方案下葉片表面壓力分布。由圖8可知：各前緣方案只對壓力值有影響，其中以曲率連續方案的原葉片吸力面壓力值最小；在流向系數為1.6～2.0區間上，圓形和曲率連續方案下壓力值近似相等，均小于橢圓方案，這與氣相損失程度相關。觀察原葉片壓力面可知：圓形和曲率連續方案的壓力值近似相等；在流向系數1.5左右之前均大于橢圓方案，在區間1.6～1.8上圓形和曲率連續方案的壓力值增速比橢圓情況下平緩。由圖8b可知，各前緣方案對流向系數為1.5～1.6區間壓力波動的影響較大，但曲率連續方案的壓力波動最小。因此曲率連續方案比圓形和橢圓方案更有助于增強混輸泵做功能力。

表3分析了不同分流葉片前緣方案下葉輪內氣相損失變化。

由表3可以發現，隨著分流葉片前緣厚度的減小，氣相進口沖擊損失也減小，其中以曲率連續方案氣相沖擊損失最小（為0.751 m），同時氣相在葉輪內的摩擦損失也最小（為0.980 m），總計損失同比圓形和橢圓前緣方案分別下降2.48%和3.87%。

4.5" 分流葉片前緣改形對混輸泵葉輪內介質受力

的影響

圖9為不同分流葉片前緣方案下分流葉片吸力面上液相剪切應力分布。由圖9可以觀察到，液相剪切應力主要集中在分流葉片前半部。液相剪切應力較大區域在分流葉片前緣處增加，在分流葉片前半部的占比面積逐漸縮小，該變化與分流葉片前緣面積的變化相關。此外，液相剪切應力的分布由分流葉片前緣沿流動方向往尾緣延展，同時剪切應力較大區域的占比因分流葉片前緣厚度的削減而縮減，并逐漸往輪緣側貼近。

圖10為不同分流葉片前緣方案下葉輪輪轂氣相剪切應力。由圖10可知，圓形和曲率連續方案，氣相對原葉片壓力面壁面的沖擊摩擦損失比橢圓方案小，使得貼合原葉片壓力面附近的氣相剪切應力較大。

圖11為不同分流葉片前緣方案下葉輪內沿流向系數的湍動能變化和采用Q準則閾值為0.016下葉輪內的旋渦。從圖11可知：在流向系數為1.3之前，圓形和曲率連續方案的湍動能均高于橢圓方案，但相差不大;在1.3之后受分流和泄漏作用影響，介質流動紊亂程度增加，帶分流葉片的葉輪其后半部內湍動能均增加，但均以橢圓方案的湍動能高。觀察旋渦分布發現，圓形和曲率連續方案的帶狀泄漏渦被顯著抑制，且分流葉片前緣渦相比橢圓方案得到縮減。

由湍動能和葉輪內渦量分析可知，分流葉片前緣改形方案對葉輪進口存在顯著影響。圖12分析了不同分流葉片前緣方案葉輪進口處介質阻力變化。由圖12可以發現，添加分流葉片后，在葉輪進口均能不同程度地減小葉輪液相阻力，改變分流葉片前緣形狀對葉輪進口氣相阻力有顯著影響。其中，隨著分流葉片前緣厚度的增加，葉輪進口液相阻力會逐步削弱，而氣相阻力則無規則變化，這是由于氣相的碰撞聚集和破碎也會影響其所受的阻力。但綜合來看，曲率連續分流葉片前緣方案的減阻效果較好，液相減阻率為5.07%，氣相減阻率為3.80%。

5" 結" 論

（1）以曲率連續方案的混輸泵揚程最大，為10.85 m，此時混輸泵總效率為33.76%，揚程和效率相比原模型分別提高31.83%和2.58%。當分流葉片前緣厚度減小時，介質與分流葉片前緣的接觸面積減少，介質發生降速摩擦和流動分離損失。3種分流葉片前緣形狀降低了液相徑向速度在葉輪內的波動，而在葉輪后半段內提升了液相軸向和圓周上的速度，使液相往輪緣側移動。

（2）曲率連續方案的葉片吸力面壓力值最小、葉片載荷封閉區域面積最大、前緣附近的壓力波動最小，說明葉輪做功性能得到顯著增強。該增強表現在氣相進口沖擊損失和葉輪內摩擦損失分別被降至0.751和0.98 m。

（3）液相剪切應力由分流葉片吸力面前緣沿流動方向往尾緣延展，較大區域主要集中在分流葉片吸力面前半部。當分流葉片厚度被削減，分流葉片前半部抑制介質分離的能力得到提升，液相在分流葉片吸力面的附著力被增強。氣相剪切應力在輪轂貼合原葉片壓力面附近較大。當分流葉片前緣厚度被削減，氣相剪切應力在輪轂上的分布更勻稱。受帶狀泄漏渦被抑制的影響，曲率連續方案下葉輪內介質流動紊亂程度低，該抑制量化為葉輪進口液相減阻5.07%和氣相減阻3.80%。

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孫殿新，教授級高級工程師，生于1969年，1992年畢業于西南石油學院勘查地球物理專業，現從事石油天然氣開采工藝及新技術研發、石油高端裝備制造等工作。地址：（300457）天津市濱海新區。電話：（022）25960063。email：sundianxin@cnpc.com.cn。2024-06-16劉" 鋒