（机械工程专业论文）井下螺旋轴流式混抽泵装置设计研究.pdf

摘要 井下螺旋轴流式混抽泵是用于井下油气混抽的新技术。为了满足高含气油井，海上 边际油井和煤层气井开发的需要，本研究室自主设计开发了井下螺旋轴流式混抽泵，并 针对该泵目前存在的问题进行了研究。 轴向力一直是井下螺旋轴流式混抽泵不可避免的问题，为了准确得出螺旋轴流泵轴 向力的计算方法，特别是在气液混抽过程中轴向力的计算方法，本文利用高等流体力学 基本原理分析了螺旋轴流式混抽泵轴向力产生的机理，研究了泵腔流体的分布规律。通 过对轴向力三个分力的研究，得出了螺旋轴流式混抽泵轴向力的计算方法和计算公式， 该方法不但适用于单相工作介质的轴向力的计算，还适用于输送介质为气液混合物的轴 向力的计算。 为了解决井下螺旋轴流式混抽泵轴向力平衡困难的问题，本文对传统轴向力平衡方 法进行了总结和对比分析，发现传统轴向力平衡方法很难适用于井下螺旋轴流式混抽泵 或者工作效率很低。为此，本文设计了两种新型轴向力平衡装置“双外壳平衡管加 平衡盘”轴向力平衡装置和“双外壳平衡管加平衡鼓 轴向力平衡装置，分别对其结构 特点和工作原理进行了分析。通过对比分析几种常用井下螺旋轴流式混抽泵轴向力平衡 装置可以得出，两种新型轴向力平衡装置无论在平衡能力还是在提高泵效方面都有着明 显的优势，该平衡装置为解决井下螺旋轴流式混抽泵轴向力平衡问题提供了新的途径。 为了确定叶、导轮径向间隙叶顶间隙，研究叶顶间隙的泄露对流场的影响，本 文利用三维造型软件s o l i d w o r k s 建立了螺旋轴流泵叶、导轮间隙的模型，运用数值模拟 软件f l u e n t 对该模型进行了仿真分析。通过分析叶片中心轴向速度矢量分布得出了 叶顶问隙的尺寸、输送介质含气率和泵的流量对叶轮内流场的影响规律；通过研究叶轮 出口轴向速度分布，得出了叶、导轮径向叶顶间隙对叶顶轴向速度的影响规律；通过研 究叶轮出口径向速度分布，得出了叶、导轮径向叶顶i u j 隙对叶顶径向速度的影响规律。 本文对井下螺旋轴流式混抽泵的关键零件进行了设计，并利用作出的零件二维图和 三维图对整个泵进行了组装，介绍了螺旋轴流式混抽泵的工作过程和安装步骤。对其中 关键的零件进行了强度计算，计算显示，螺旋轴流式混抽泵的平衡盘、键、泵壳体等结 构均满足工作需要。 关键词：螺旋轴流式混抽泵，轴向力，平衡装置，问隙泄露，结构没计 d e s i g na n ds t u d y o nd o w n - h o l eh e l i c o - a x i a i m u l t i p h a s ep u m p g a oy a n g ( m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f l iz e n g l i a n g a b s t r a c t d o w n - h o l eh e l i c o - - a x i a lm u l t i p h a s ep u m pi san e wt e c h n o l o g yf o rp u m p i n gu n d e r g r o u n d o i la n dg a sm i x t u r e i no r d e rt om e e tt h en e e d so ft h eh i g hg a sw e l l s ，o f f s h o r em a r g i n a lo i l w e l l sa n de o a l b e dm e t h a n ew e l l sd e v e l o p m e n t ，0 1 1 1 l a b o r a t o r yd e s i g n e dt h ed o w n - h o l e h e l i c o - a x i a lm u l t i p h a s ep u m p ，a n ds t u d i e dt h ee x i s t i n gp r o b l e m so ft h ep u m p a x i a lf o r c ei s a ni n e v i t a b l ep r o b l e mt ot h eh e l i c o a x i a lm u l t i p h a s ep u m p i no r d e rt b p r e d i c tt h eh e l i c o a x i a lp u m pa x i a lf o r c ea n dg e tt h ec a l c u l a t i o nm e t h o da c c u r a t e l y , e s p e c i a l l y g e tt h ec a l c u l a t i o nm e t h o dt ot h eg a s - l i q u i dm i x t u r ed u r i n gp u m p i n ga x i a lf o r c e ，t h i sp a p e r a n a l y s i s t h em e c h a n i s mo ft h ea x i a lf o r c eo ft h eh e l i c o a x i a lm u l t i p h a s ep u m p ，s t u d i e st h e d i s t r i b u t i o no ft h ef l u i db yu s i n gt h eb a s i cp r i n c i p l e so ff l u i dm e c h a n i c s t h ec a l c u l a t i o n m e t h o d sa n df o r m u l a st ot h eh e l i c o a x i a lm u l t i p h a s ep u m pa x i a lf o r c ei sp u tf o r w a r db y r e s e a r c h i n gt h et h r e ec o n t r i b u t ea x i a lf o r c e ，t h i sm e t h o dn o to n l ya p p l i e st os i n g l e - p h a s e w o r k i n gm e d i u m ，b u ta l s oa p p l i e st oo nt h eg a s l i q u i dm i x t u r ew o r k i n gm e d i u m i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mo ft h ea x i a lf o r c eb a l a n c eo ft h ed o w n - - h o l eh e l i c o a x i a l m u l t i p h a s ep u m pt h a ti sd i f f i c u l tt os e t t l e ，t h i sa r t i c l ef o u n dt h a tt h et r a d i t i o n a la x i a lf o r c e b a l a n c ei sv e r yd i f f i c u l tt oa p p l yt od o w n - h o l eh e l i c o - - a x i a lm u l t i p h a s ep u m pb e c a u s ei tw o r k s i n e f f i c i e n tb ys u m m a r i s i n ga l lc o m p a r et h et r a d i t i o n a la x i a lf o r c eb a l a n c em e t h o d t h i sp a p e r d e s i g n e dt w on e wa x i a lf o r c eb a l a n c ed e v i c e s t h e ”d o u b l e s h e l lb a l a n c i n gp i p e & b a l a n c i n g d i s c ”a x i a lf o r c eb a l a n c ed e v i c ea n dt h e ”d o u b l e - s h e l lb a l a n c i n gp i p e & b a l a n c i n gd r u m ”a x i a l f o r c eb a l a n c ed e v i c e ，a n di t ss t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c sa n dw o r k i n gp r i n c i p l ei sa n a l y z e d b y c o m m p a r i n gs e v e r a lc o m m o na x i a lf o r c eb a l a n c ed e v i c e ，t w on e wa x i a lf o r c eb a l a n c ed e v i c e s h a so b v i o u sa d v a n t a g e si nt e r m so fb a l a n c e ，o ri nw a y st oi m p r o v ep u m pe f f i c i e n c y t h e b a l a n c ed e v i c ep r o v i d ean e ww a yt ob a l a n c et h ea x i a lf o r c eo ft h ed o w n h o l eh e l i c o a x i a l m u l t i p h a s ep u m p t od e t e r m i n et h er a d i a lc l e a r a n c eb e t w e e nt h eb l a d ew h e e la n dg u i d ew h e e l b l a d et i p c l e a r a n c e ，t h et i pc l e a r a n c el e a k a g ef l o wf i e l di ss t u d i e d t h i sp a p e re s t a b l i s h e dt h eb l a d e w h e e la n dg u i d ew h e e lm o d e lb yu s i n gat h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l i n gs o f t 、；v a r es o l i d w o r k s ， a n a l y s e dt h em o d e lb yu s i n gt h e u s i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r ef l u e n t b ya n a l y z i n g t h ed i s t r i b u t i o no fb l a d ec e n t e ra x i a lv e l o c i t yv e c t o r so b t a i n e dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e s i z eo ft h et i pc l e a r a n c e ，t r a n s p o r tm e d i u mg a sf l o wr a t e ，p u m pf l o wa n dt h ei n s i d ef l o w f i e l d ；b ys t u d y i n gt h ed i s t r i b u t i o no ft h ea x i a li m p e l l e ro u t l e tv e l o c i t y , o b t a i n e dt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h et i pc l e a r a n c ea n dt h ea x i a lv e l o c i t y ；b ys t u d y i n gd i s t r i b u t i o no ft h ei m p e l l e re x i t r a d i a lv e l o c i t y , o b t a i n e dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h et i pc l e a r a n c ea n dt h er a d i a lv e l o c i t y t h i sp a p e rd e s i g n e dt h ek e yc o m p o n e n t so ft h ed o w n h o l eh e l i c o a x i a lm u l t i p h a s ep u m p a n da s s e m b l et h ee n t i r ep u m pb yu s i n gt h ep a r t st h a th a v e b e e nm a d et w o d i m e n s i o n a l d r a w i n g sa n dt h r e e - d i m e n s i o n a lm a p ，i n t r o d u c e dt h ew o r kp r o c e s sa n di n s t a l l a t i o np r o c e d u r e s o ft h ed o w n - h o l eh e l i c o a x i a lm u l t i p h a s ep u m p t h ek e yp a r t so ft h e mh a ds t r e n g t h c a l c u l a t i o n ，t h ec a l c u l a t i o ns h o w st h a tt h eb a l a n c i n gd i s co fm i x e dp l a t e s ，k e y s ，p u m ph o u s i n g a n do t h e rs t r u c t u r e so ft h eh e l i c o a x i a lm u l t i p h a s ep u m pm e e tt h ew o r kr e q u i r e m e n t s k e y w o r d s ：d o w n h o l eh e l i c o - a x i a lm u l t i p h a s ep u m p ，a x i a lf o r c e ，b a l a n c ed e v i c e s ， c l e a r a n c el e a k ，s t r u c t u r a ld e s i g n 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均己在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 鸯豳日期：彤年衫月乙且 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：蠢益 指导教师签名： 娄邀瓠 日期：品易年石月z 一，日 日期：沙fd 年6 月沙同 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 概述 第一章绪论 近年来，随着石油价格的跌宕起伏和国民经济高速发展，人们对石油需求的不断增 加，海洋石油以及陆上边际油田和卫星油田的开发日益受到人们的关注，同时这些高油 气比油井也给石油的开发和输送带来了很多难题。如何高效地解决高油气比油井的开发 输送问题成为目前石油行业研究的热点。气油比l o o m 3 i i l ，1 0 0 0 m 3 m 3 的油藏通常称为 高气油比油藏，这类油臧无论在世界总油气资源还是我国的油气资源中都占有很高的比 重，解决好这类油气田的的开发技术，将对我国石油工业的发展具有重大的意义。 高油气比油藏的开发对常规机械采油方式工作的稳定性和系统的效率具有很大的 影响。常规的叶片泵受输送介质中气体含量的限制，其主要原因是流体介质经过叶轮时， 气相与液相分离，液相被排除叶轮，而气相则聚集在叶轮中心入口附近的低压区内，形 成死区，随着泵内流体介质速度的进一步增大，叶轮入口附近的死区也随之进一步增大， 最后的结果是叶轮流道完全被气相所填充，泵失去了对液相的输送能力，泵的工作能力 丧失。 为了解决高油气比油藏的开发问题，人们对其进行了细致的研究，其中多项混抽、 混输系统以其在油气开采和输送方面表现出的巨大优越性，已经成为研究开发的一大热 点。井下螺旋轴流式混抽泵就是一项用于油气多相混抽和油气多相混输的的新型流体机 械。该种泵具有叶片泵和压缩机的双重特性，结构上介于两者之间，其结构特点是叶、 导轮均采用锥形轮毂、螺旋式叶片结构，每级增压单元由一个叶轮和一个导轮组成，多 级增压单元串联工作。叶轮随轴旋转，导轮固定不动。该种泵不仅能够满足在泵入口高 含气率( 0 0 o , - , 9 3 ，短时可达1 0 0 ) 条件下抽吸多相混合物，而且具有较高的运行效率。 与地驱螺杆泵相比，虽两者皆具有油气混抽能力，但由于地驱螺杆泵有旋转的抽油杆， 同时定子衬套材料为橡胶，因此受泵自身条件的影响，它不适合于大斜度井和深抽作业， 否则会造成杆、管的剧烈磨损，杆断或管漏，或井温过高，造成定子橡胶衬套的老化失 效。该种泵不仅该技术能实现由“气液分输”向“混输的技术转变，具有简化流程、 节省费用和提高油井采收率等优点，是种高效、节能、环保新技术。井下螺旋轴流式 多相混抽泵作为一项新技术有其显著的技术优势和广阔的应用前景。无论在陆上还是海 洋油气f f l 的开采中，井下螺旋轴流式多相混输系统与目f i 仃广泛采用的电潜离心泵系统和 第一绪论 螺朴泵系统桐比部具有其突出的优点。 螺旋轴流式混输泵每绂增压单元由一个叶轮和一个导叶组成，如幽卜l 所示。介质 进入叶轮后，出1 叶轮高速旋转，进入转子中的多相介质被加涟，使多帽流体获得动能， 通过定于把动能转化为静压能，其基本原理是利用叶片对油气混合液产生升力而进行加 压的螺旋型的叶轮和导轮又强迫输送介质沿轴向运动，有效地防止气液两相介质在液 道内分离，从而保证均匀流动的要求。由于叶轮的高速旋转，进入叶轮中的介质被加速， 加速的介质经过导轮时，速度降低，其动挠转化为压能从而使输送介质每经过一个单 7 缴段，便增加一部分能量。 - ，1 “ 盈卜1 一级增压单元示意圈 f i g 1 - i p r e s s u r eu i n t 螺旋轴流式泥抽泵与容积式泵的根本区别在于其压力的增加不足山椎元缴体积的 变化所引起而足山能量的传递和转化实现的。图卜2 为螺旋轴流式混抽泵结构示意崮。 泉可以是水平式，也叮以是立式。每个转子和定子组成一级。如所需增压值较高即 雎比高时，则可采j j 多级。而绂较多时，叉坷分为儿个段，每段巾含有若干级。山于气 体具有压缩性，所以随着压力升高，气体体积减小，理论上总的体积流量将逐级递减， 相应地转千尺寸应减小，但在实际设计中考虑到零件的互换性，常将i 司一段的多级转予 与定子设计成统一规格。 舶卜2 螺旋轴流式混输裂结构示意图 f i g i 一2 t h es t r u c t u r ed i a g r a mo f h e l i c o a x i a lm u l t i p h a s ep u m p 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 国外对螺旋轴流式多相泵进行的广泛研究和现场实验及应用业已证明：在广泛的操 作范围内该技术的合理性和适用性，螺旋轴流式多相泵达到的使用范围比几年前人们预 想的要宽广的多1 3 j 。 1 2 研究现状的总结与问题的提出 1 2 1 国内外研究现状 螺旋轴流式多相泵的研究始于著名的“海神计划 ，1 9 8 4 年1 月法国道达尔、法 国石油研究总院和挪威国家石油公司三方投巨资研发螺旋轴流式多相混抽泵“海 神”系列，1 9 8 7 年研制出工业用样机泵，1 9 9 1 年到1 9 9 4 年，螺旋轴流式混抽泵工业样 机先后在突尼斯和挪威北海安装使用，这标志着“海神”工程进入了工业化阶段。此后， 螺旋轴流式多相混抽泵被应用于多项海底增压混抽工程中。与此同时，挪威的f r a m o 公 司，意大利的a g i p 、n u o v op i g e o n 和s n a m p r og e t - u i 公司、德国的b o m e m a n n 、 美国的w e i r s 有限公司和a b b 集团、英国的b h r a 等公司也纷纷加入到螺旋轴流式混 抽泵的研制、开发和现场实验的行列中来【4 罐】。1 9 8 8 年海下多相增压泵站进行了水下试 验。2 0 0 0 年，螺旋轴流式海神多相泵已研发出海下电机。目前，已经有大量的海神泵在 北海，俄罗斯，几内亚，印度尼西亚海湾油田的陆上、水下应用。 在中国，中国石油天然气集团公司在“九五”期问率先立项开展了油气水混相输送 技术课题的研究工作。目前国内陆上油气集输用的螺旋轴流式油气混输泵的研究工作已 经展开，正处于现场试验、完善阶段。这主要包括中国石油大学、清华大学和甘肃工业 大学等，其中以中国石油大学为主要代表。中国石油大学从1 9 9 6 年开始研究地面螺旋 轴流式油气混输泵，先后开展了输送机理及结构设计、性能预测和内部能量交换及试验 研究等前期工作。 1 2 2 出现的问题 螺旋轴流式多相混抽泵独特的优点引起了人们的广泛重视，国内外各科研院所和机 构对其的设计和开发更将螺旋轴流式多相混抽泵的研究推到一个崭新的高度。但是，螺 旋轴流式多相混抽泵并没有像人们想象的那样得到广泛的应用，国外虽有应用的实例， 但是与相关排采机械和输送机械相比，螺旋轴流式多桐混抽泵的占有率还比较低，国内 则还没有现场应用的报告，主要原因足冈为螺旋轴流泵的没计理论和设计方法还存在着 很多缺陷，另外螺旋轴流泵样机的实验研究和应用过程也湿示出很多i 、u j 题，主要表现在 第一章绪论 以下几点： 第一，混输泵增压单元目前的设计方法只能说是初步的，还需要进一步完善。螺旋 轴流式混输泵技术参数的设计关键是其叶轮和导轮的结构参数的设计，主要有叶片选 型，轮缘直径，轮毂进、出口直径，叶轮轴向长度，叶片进、出口安装角，轮毂半锥角， 进口轮毂比和扬程系数等。这些参数的选取对叶轮的流动性能具有决定性作用。目前混 输泵的参数设计只是在实验研究和借鉴国外经验的基础i - - 给出大致的取值范围【8 l ，尚未 形成完整精确的理论，而且依据这样的取值范围，并不能保证混输泵适用于较宽的油气 比和具有较高的效率。 第二，多相混输泵的输送机理是进行混输泵设计的第一步，在此基础上才能确定过 流部件的设计思想，多相流动是一门交叉学科，而多相流体的输送更是其中的难点。纵 观所掌握的文献资料，有关多相流动的实验和理论研究主要集中在管内流动，关于泵内 多相流动方面的报道极少，特别是气液两相流动。在内流场方面，有限的研究也主要集 中在稀疏气泡流场中，很少涉及雾状流和泡沫流。但近年来随着计算机性能的提高和c f d 软件的深入使用，流体机械内部流场的数值计算已经成为是该行业的一个研究热点 9 - 2 5 o 第三，国内外对螺旋轴流式多相混抽泵的研究都是针对井口以上，而油气开采上 用的井下螺旋轴流式油气混抽技术的研究开发工作，除中国石油大学( 华东) 机电工程 学院对该项技术在机组结构、性能和工艺技术方面进行了前期的一定理论和实验研究 外，至今国内外尚无这方面的具体报道。 第四，轴向力平衡问题一直是井下螺旋轴流式正常运行难以克服的问题之一。近几 年来，我国对高含气油井和煤层气的丌发十分关注，国家科技重大专项和国家“8 6 3 ” 高技术研究发展计划都将该类油气f = f 1 和煤气田的开发技术列为重点研究开发项目。井下 螺旋轴流式多相混抽泵以其高含气混输、结构简单紧凑和对固体颗粒不敏感的特点十分 适合这类油气田和煤气f t l 的开发要求。但是到目前为止，井下螺旋轴流式混抽泵还没有 得到广泛应用l 卜引，其主要原因已经不是叶片结构参数的问题，而是因为轴承的使用寿 命远远达不到工作要求。由于螺旋轴流式混抽泵轴向力产生机理和离心泵不同，其轴向 力大得多，单级泵的轴向力可达1 6 0 2 4 0 n ，而单级离心泵的轴向力只有2 0 - 4 0 n ；而且 螺旋轴流式混抽泵不能像离心泵那样可以通过合理设计叶片结构来减小或消除轴向力， 通常情况卜轴承连续 ：作时间极短，如何合理有效地平衡轴向力成为井下螺旋轴流式混 抽泵推广使用的天键。目前螺旋轴流式混抽泵试验样机常用平衡孔法、浮动叶轮法i 4 】等 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 方式来平衡轴向力，但是平衡孔法平衡轴向力的能力相当有限，同时这种方法不但会破 坏了叶轮进口处流体的流动状态，而且增加了流体的泄漏量，降低了泵的容积效率。浮 动叶轮法是将各级叶轮产生的轴向力传递到相应导轮来实现平衡。但是这会使各级互相 接触的叶轮、导轮之间产生摩擦，导致泵的机械效率产生极大下降，浪费了大量的动力 能源。同时由于螺旋轴流式混抽泵的轴向力很大，离心泵上常用的胶木摩擦环和其他普 通摩擦环不能在螺旋轴流式混抽泵上长期可靠使用，而如果应用耐磨性较好的硬质合金 摩擦环，又会大大增加泵的成本，据计算，一套下泵深度为2 0 0 0 m 的泵，摩擦环的费用 高达十几万元。因此，需要寻求一种新的轴向力平衡方式。 第五，螺旋轴流式多相混抽泵的叶轮项部存在间隙，即叶轮与导轮之间的径向间隙， 因此间隙泄露和泄露涡的产生不可避免。径向间隙的大小、长度与叶轮顶部的形状直接 影响到泵的间隙泄露，虽然径向间隙比较小，但是据文献显示，径向间隙的泄露直接会 对叶轮流道2 0 的流场产生扰动影响，一方面间隙泄露对于泵的容积效率产生很大的影 响，另一方面，径向间隙处的流场复杂，主流场与径向间隙泄露流场、静止导轮内壁上 的环状壁面边界层与叶片表面运动边界层互相干涉，再加上叶片、叶顶与叶、导轮之间 各种涡流的影响，使得轴流泵径向间隙的对整个轴流泵产生很大影响，因此我们十分有 必要对螺旋轴流式混抽泵的叶、导轮径向间隙进行系统的分析和研究。另外径向间隙处 容易发生间隙空话腐蚀，这一直是影响轴流泵正常运行的主要因素之一。在实际运行过 程中，当间隙空化空蚀发生时，常采用修圆叶片工作面、背面外缘的方法进行处理，来 避免或减小间隙空化腐蚀。 第六，井下螺旋轴流式混抽泵的热力学研究尚不完善2 6 。0 1 。螺旋轴流式混抽泵是具 有入口大、出口小的轮毂结构，它具有泵和压缩机的双重作用，在泵的运行过程中，尤 其是在输送气液混合介质的时候，螺旋轴流泵对气液混合介质有一种压缩作用，对于输 送介质中的液体成分，我们可以认为是不可压缩的，而其中的气体成分必然受到螺旋轴 流泵的压缩作用，根据气体状态方程，气体受到握缩必然释放热量，释放的热量必然影 响到气液混合流场。另外，螺旋轴流泵内部还有其他热源释放热量，例如，泵内的轴承 在运行过程中的摩擦产生的热量，采用浮动叶轮结构的轴流泵由于叶、导轮之间的摩擦 环摩擦产生的热量，各传动部件连接处产生的热量，井下泵的井筒温度梯度对泵的影响 等。这些热源通过热辐射、热传导和热对流的形势影响泵的整个流场，从而直接影响到 泵内气液混合物的状态。冈此如何考虑多种热源对井下螺旋轴流式混抽泵流场的综合作 用，对井下螺旋轴流式混抽泵进行热力学分析也是十分必要的。 第一章绪论 1 3 本课题主要研究内容和解决的关键问题 1 3 1 课题主要研究内容 本文是在2 0 0 7 年度国家“8 6 3 高技术研究发展计划项目( 2 0 0 7 a a 0 9 2 3 1 8 ) “浅水 区井下油气混抽装置技术研究”资助下进行的。 根据上文分析，对井下螺旋轴流式混抽泵的研究还有很多需要完善的地方，不可能 一步把所有问题解决，所以本文选取目前出现的部分问题作为研究内容，具体研究内容 如下： ( 1 ) 井下螺旋轴流式混抽泵轴向力分析研究。 分析螺旋轴流式混抽泵轴向力产生的机理，抛弃纯液输送介质，以气液混合物为工 作介质，研究螺旋轴流式混抽泵轴向力的计算方法，推导出轴向力计算公式，为螺旋轴 流式混抽泵轴向力的平衡奠定基础。 ( 2 ) 轴向力平衡技术研究 分析当今轴向力平衡技术的发展状况和轴向力平衡装置的结构形式，分析目前本研 究室所用的浮动叶轮结构的轴向力平衡方法，设计适合井下的新型螺旋轴流式混抽泵轴 向力平衡结构，通过与目前所用的轴向力平衡方法对比，分析其平衡效果的优缺点。 ( 3 ) 井下螺旋轴流式混抽泵叶轮顶部间隙研究 运用三维造型软件s o li d w o r k s 对叶轮顶部间隙进行三维建模，运用数值仿真软件 f l u e n t 对建立的三维模型进行数值计算仿真，通过数值计算，分析叶轮、导轮之间的径 向间隙，即叶轮项部间隙的流场情况，分析间隙漩涡强度和位置的分布状况，分析间隙 泄露与间隙大小、泵流量、含气率之间的变化关系。 ( 4 ) 关键零件的结构设计及强度分析 对井下螺旋轴流式混抽泵的入口接头、出口接头、导流锥等关键零件进行结构设计， 并且对泵轴、平衡盘、轴承以及密封圈等进行强度分析。 1 3 2 课题解决的关键问题 本课题解决的关键问题包括以下几点： ( 1 ) 井下螺旋轴流式混抽泵轴向力分析研究； ( 2 ) 轴向力平衡技术研究及新型平衡装置的设计开发； ( 3 ) 井下螺旋轴流式混抽泵叶轮顶部问隙研究 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 4 课题的研究采取的研究方法、技术路线 ( 1 ) 理论分析。根据流体力学、动量定理等基础理论，研究螺旋轴流泵内部流场分 布规律，分析井下螺旋轴流式混抽泵轴向力的产生机理，根据螺旋轴流式混抽泵轴向力 产生机理研究轴向力计算方法，为轴向力平衡装置的设计奠定基础。 ( 2 ) 结构设计。根据理论分析的螺旋轴流式混抽泵轴向力计算方法，对比当前本研 究室螺旋轴流泵轴向力平衡方法，开发新型轴向力平衡装置，对新型轴向力平衡装置进 行分析对比，总结各平衡装置的优缺点，从而为解决井下螺旋轴流式混抽泵轴向力平衡 问题提供技术支持。 ( 3 ) 数值分析。利用数值仿真分析软件对叶轮与导轮的径向间隙，即叶顶间隙进行 数值仿真分析，通过分析，研究叶、导轮径向间隙的大小对流场影响，得出间隙大小、 泵流量和输送介质含气率对泄漏量和泄漏漩涡强度及分布的影响规律，从而为叶、导轮 问隙的合理设计提供技术指导0 1 5 课题研究的成果 ( 1 ) 理论分析螺旋轴流式混抽泵轴向力的产生机理，得出螺旋轴流式混抽泵轴向力 计算方法。 ( 2 ) 设计适用于井下的新型螺旋轴流式混抽泵轴向力平衡装置。 ( 3 ) 通过射叶、导轮径向间隙的研究，得出间隙大小、泵流量和输送介质含气率对 泄漏量和泄漏漩涡强度及分布的影响规律。 ( 4 ) 完成井下螺旋轴流式混抽泵整体结构设计并对关键零部件进行了强度校核，完 成该泵的三维立体图纸和二维加工图纸的绘制。 ( 5 ) 基于本课题发表学术论文2 篇，申请国家发明专利1 项。 7 第二章井下螺旋轴流混抽泵轴向力分析计算 第二章井下螺旋轴流混抽泵轴向力分析计算 2 1 研究轴流泵轴向力的意义 近几年来，我国对螺旋轴流式混抽、混输泵的研究日益关注，国家科技重大专项和 国家“8 6 3 高技术研究发展计划都将该类混输、混抽装置的研究列为重点研究对象。 井下螺旋轴流式多相混抽泵以其高含气混输、结构简单紧凑和对固体颗粒不敏感的特点 十分适合这类油气田和煤气田的开发要求。但是到目前为止，井下螺旋轴流式混抽泵还 没有得到广泛应用【3 1 。3 3 1 ，主要原因之一是因为螺旋轴流泵的轴向力很大，使得轴承的使 用寿命远远达不到工作要求，这必然会使得泵容易发生故障，导致泵无法正常工作，直 接影响安全生产，造成经济和安全的双重损失。螺旋轴流式混抽泵与离心泵不同，其轴 向力大得多，单级泵的轴向力可达1 6 0 - 2 4 0 n ，而单级离心泵的轴向力只有2 0 4 0 n ；而 且螺旋轴流式混抽泵不能像离心泵那样可以通过合理设计叶片结构来减小或消除轴向 力，通常情况下轴承连续工作时间极短，如何合理有效地平衡轴向力成为井下螺旋轴流 式混抽泵推广使用的关键。 2 2 螺旋轴流泵轴向力产生机理分析 螺旋轴流泵轴向力的产生机理和普通离心泵相似，但又不完全一样，这是因为螺旋 轴流泵自身的结构特点所决定的f 3 4 1 。轴流泵转速高，流量大，泵内流体介质为准轴向方 向运动，而在径向方向介质的速度分量很小，螺旋轴流式多相混抽泵工作时，在转子上 作用一个很大的轴向力，力的矢量方向与轴线重合。对于轴流泵，特别是高压多级泵， 轴向力非常大，这就导致轴流泵的轴向力要比普通离心泵的轴向力大8 到1 0 倍甚至更 大。 产生轴向力的原因有三点： ( 1 ) 叶轮f j 后两侧由于压差产生的轴向力【3 5 1 。如图2 1 所示，流体经过叶轮加压后， 使叶轮两侧的压力不再相等，叶轮后的压力要远远大于叶轮前的压力，两个不相等的压 力分别作用在叶轮两侧，必然产生轴向力。显然，该轴向力的大小与作用在叶轮上的压 差成正相关，方向指向泵入口方向。 ( 2 ) 由流体动反力引起的轴向力。由于叶轮的流道为锥形，流体在叶轮入口处的轴 向速度分量和出口处的轴向速度分最不相等。由动量定理可知，必会有一个轴向方向的 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 力作用在叶轮上，这个力也是组成轴向力的一部分。 ( 3 ) 叶轮自重引起的轴向力。当螺旋轴流式混抽泵立式放置时，还应考虑叶轮自重 引起的轴向力。 d 轴径d l 一轴套外径d 2 一叶轮外径d 3 一叶轮入口轮毅外径d 4 一叶轮出口轮毂外径 图2 - 1 叶轮前后两侧压强分布 f i g 2 一l t h e p r e s s u r ed i s t r i b u t i o no nb o t hs i d e so ft h ei m p e l l e r 2 3 螺旋轴流泵轴向力计算方法 2 3 1 叶轮前后两侧压差产生的轴向力 对于普轴流泵，根据上一节的论证，由于离心力作用，叶轮叶片前后两侧腔室的流 体压力分布沿半径方向呈抛物线舰律变化，叶轮前后两侧压差产生的轴向力e 方向由泵 出口方向指向泵入口方向。 ( 1 ) 叶轮入口处轴向水力载荷只 f = f 2 础咖 ( 1 1 ) 其中， p = 只一等k _ ，2 ) 将公式( 卜2 ) 代入公式( 1 - 1 ) 得： f = 州只一等k ) 毋 式中，f 为叶轮入口处轴向水力载荷，；= 三q ， 9 ( 1 - 2 ) ( 1 - 3 ) = 圭d ：，d l 、d 2 分别为叶轮 第二章) l ：下螺旋轴流混抽泵轴向力分析计算 轴套外径和叶轮轮缘外径( 如图2 1 所示) ，m ；为入r s l 任意半径厂处的压力，p a ； p 为流体密度，堙m 3 ；缈为叶轮角速度，t a d s ；e 为入口处叶轮轮缘压力，砌。 ( 2 ) 叶轮出口轴向水力载荷 叶轮出口处轴向水力载荷f o f o = ：1 1 2 2 n r p o d r 其中， 易= 最一譬把- ，2 ) 将公式( 1 - 5 ) 代入公式( 卜4 ) 得： 同理可得，叶轮出e l 轴向水力载荷为： 只为出e l 处叶轮轮缘压力： ( 1 - 4 ) ( 1 - 5 ) 易= 州b 一譬2 p 旷6 ， 最= 舅- i - p g h ， ( 1 - 7 ) 将公式( 卜7 ) 代人公式( 卜6 ) 得： = 州亿+ 训一譬k ) 办 8 ， 式中，为叶轮出口处轴向水力载倚，；= 寻d l ，吒= 了1b ，q 、d 2 分别为叶 轮轴套外径和叶轮轮缘外径( 如图2 - 1 所示) ，m ；易为叶轮出口任意半径厂处的压 力，p a ；p 为流体密度，k g m 3 ；为叶轮角速度，r a d s ；只为入口处叶轮轮缘 压力，p a ；只为出口处叶轮轮缘压力，p a ；h 。为币级叶轮扬程，m 。 ( 3 ) 叶轮前后两侧压差产生的轴向力 叶轮前后两侧压差产生的轴向力为叶轮出口轴向水力载荷和叶轮入口轴向水力载 荷之差。 一= 乃一f = f 2 2 刀h 艄。) 一譬佗一) 咖一r 2 刀 只一譬佗一) 办旷9 ， 1 0 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 2 3 2 流体动反力引起的轴向力 根据动量定理， e = 统( v ：一h ) ( 1 - 1 0 ) 式中，e 为流体动反力引起的轴向力，n ；绋为流体的质量流量，k g s ；啊、，：分别 为叶轮入口、叶轮出口处流体的轴向速度，朋s ，其中， ( 1 - 1 1 ) 式中，砩。为叶轮入口流体的体积流量，朋3 s ；s 。为叶轮入口处环形面积的大小，聊2 ； 仍为叶轮入口断面收缩系数。其中， 绋。：盟 岛 耻盘掣 将公式( 卜1 2 ) 、( 卜1 3 ) 代入公式( 1 - li ) 得： 同理可得： ( 1 - 1 2 ) ( 1 - 1 3 ) ( 1 - 1 4 ) ( 1 - 1 5 ) 式中，仍、仍分别为叶轮入口、叶轮出口断面收缩系数，仍= 0 9 7 ，妒2 = 0 9 8 ；岛、p 2 分别为叶轮入口、叶轮出口流体密度，k g m 3 。如果泵内流体为单一流体，如纯液，则 既= p 2 如果泵内流体为多相流体，如气液混合物，因为螺旋轴流泵的增压作用和气体的可压缩 性( 假设液体是不可压缩的) ，使得在增压过程中，气液混合物的在叶轮进、出口的体 积流量式变化的( 根据质量守恒定律，气液混合物的质量流量保存不变) ，因而流体的 密度也是变化的，所以 p i 仍 鼎 = 矿 鼎 = 吃 第二章井下螺旋轴流混抽泵轴向力分析计算 则气液两相混合物的密度为： 局= 背 旧 p ，：p t q 2 t + p 2 9 q 2 9 ( 1 - 1 7 ) p 22 1 i 矿 式中，所为液体密度，k g m 3 ；p l g 、p 2 9 分别为叶轮入口、叶轮出口的气体密度，k g m 3 ； 翻，、鲮，分别为叶轮入口、出口处液体的体积流量，m 3 s ；q g 、q g 分别为叶轮入口、 出口处气体的体积流量，m 3 s 。 将公式( 卜1 4 ) 一( 卜1 7 ) 代入公式( 卜1 0 ) 得到流体动反力引起的轴向力： e = 等 蠹老赫二疝啬赫 m 2 3 3 叶轮自重引起的轴向力 当螺旋轴流式混抽泵立式放置时，叶轮自重也能产生轴向力，方向由泵出口指向泵 入口，对于地面卧式螺旋轴流式混抽泵，该力是不存在的；而对于井下螺旋轴流式多相 混抽泵，显然该力是不可忽略的。 e = m o g ( 卜1 9 ) 式中，聊。是单个叶轮的自重，堙；g 是重力加速度，g = 9 8 m s 2 。 2 3 4 总轴向力 以上三种分力的合力就组成了井下螺旋轴流式混抽泵的轴向力，一级增压单元的总 轴向力为： f = 曩+ t + e ( 卜2 0 ) 如果螺旋轴流泵有n 级，则总轴向力为 f = 亿+ 五+ e ) ( 1 - 2 1 ) 2 4 小结 奉章节介绍了并下螺旋轴流式混抽泵轴向力研究的重要性，因为螺旋轴流泵的结构 与普通离心泵不同，所以其轴向力远比普通离心泵大得多，其轴向力过大引起的平衡问 1 2 中国石油人学( 华东) 硕上学位论文 题一直是难以解决的问题之一，直接影响到井下螺旋轴流式混抽泵的推广应用。为了得 出井下螺旋轴流式混抽泵轴向力计算方法，本章从轴向力产生机理出发，分析了螺旋轴 流式混抽泵轴向力产生的原因，通过对轴向力三个分力的研究，得出了螺旋轴流式混抽 泵轴向力的计算公式和计算方法，该方法可以适用于输送介质为单相纯液的螺旋轴流 泵，也适用于输送介质为气液混合物螺旋轴流泵。为今后轴向力的研究和轴向力平衡技 术和平衡装置的开发奠定了基础 第三章轴向力平衡装置分析研究 第三章轴向力平衡装置分析研究 3 1 轴向力平衡装置的发展 在各种泵的使用过程中，轴向力是客观存在的。轴向力的存在，直接影响到泵的安 全运行，尤其是对于轴向力很大的多级泵，如果处理不当，将会引起轴封磨损、轴承烧 毁甚至泵轴断裂等问题，如何有效的平衡轴向力，使泵能够安全稳定地运行，在很多时 候已经超过泵的结构设计优化、泵的效率提高、泵的磨损研究等成为影响泵能否正常运 行的的关键问题，所以对于轴向力平衡装置的研究，一直贯穿于整个泵的发展使用史。 最初的轴向力平衡装置就是使用直接止推的方法，从刚开始的端面止推到后来的止 推轴承，各种止推轴承的使用，尤其是各种耐摩、耐高温特殊材料止推轴承的使用，大 大增加了泵的使用范围还是用空间。之后随着各种大轴向力多级泵越来越多地应用于现 场，轴向力过大引起的轴承磨损严重甚至烧毁的事故越来越多，单纯的止推轴承已经不 能满足现场的需要，人们开始在泵的结构上进行研究，希望能够通过合理设计泵的结构 来减小甚至消除轴向力，于是叶轮对称布置和双吸叶轮被研究