毕业设计（论文）-固定型环形多喷嘴压后排液射流泵设计

PAGEPAGE1固定型环形多喷嘴压后排液射流泵设计摘要：射流泵设计理论研究已有100多年的历史，它是一种依靠流体之间动量交换来工作的流体机械泵，由于它没有运动，具有结构简单、工作可靠、易于操作、便于维护和综合利用等特点，被广泛用于各个行业中，尤其是在石油行业的采油设备中，射流泵更有不可代替的优越性。然而传统液体射流泵只有一个喷嘴,由于其原始结构尺寸较大，效率较低不利于射流泵的安装与应用。因此针对上述问题提出多喷嘴射流泵的研制。多喷嘴射流泵相比较具有工作压力高、当量喷嘴大小可以调节、喷嘴不会堵塞、磨损小、结构简单、安装方便、重量轻等优点，具有相当广阔的应用前景和较高的研究价值.本论文阐述了射流泵的研究意义背景及射流泵的国内外发展史，并对射流泵的前景进行了展望；介绍了射流泵的基本工作原理和结构；并且详细计算了有关固定型环形多喷嘴射流泵的水力学参数和其基本尺寸，设计了整个泵的各个工作部件；比较了环形多喷嘴射流泵相对于传统单喷嘴射流泵的优势；为了使这次设计的射流泵满足实际要求，在完成整体设计后，对整个射流泵进行验算，并对主要部件进行强度校核。关键词：射流泵；环形多喷嘴；固定型；采油设备Fixedrearannularfluidpressuremulti-nozzlejetpumpdesignAbstract:Thestudyaboutdesigntheoryofjetpumphasbeenlastformorethan100yearsinhistory,itisafluidmechanicalpumpthatworkeddependonthemomentumexchangebetweenthefluid,becauseithasnomovement,andhascharacteristicsofsimplestructure,workreliable,easyoperation,easymaintenance,andcomprehensiveutilization,soitiswidelyusedinvariousindustries,especiallyinoilequipmentinoilindustry,jetpumphasmoreirreplaceableadvantages.However,traditionalliquidjetpumponlyhaveonenozzle,becausetheoriginalstructuresizeislarge,andhavelowefficiency,soitisnotconducivetotheinstallationandapplicationofjetpump.thus.toaddresstheaboveissues,multi-nozzlejetpumpappeared.Multi-nozzlejetpumphashigherworkingpressure,aequivalentnozzlesizecanbeadjusted,thenozzlecannolongerblocked,smallwearing,simplestructure,easyinstallationandlightweight,etc.,hasaverybroadapplicationprospectsandahigherresearchvalue.Thisarticledescribesthebackgroundandthehistoryofitsdevelopingofthedomesticandinternationalofthejetpump,andstatestheprospect;italsodescribesthebasicworkingprincipleandstructureofthejetpump;anddothedetailedcalculationsabouttheMechanicalparametersofwateroffixedrearannularfluidpressuremulti-nozzlejetpumpanditsbasicsize,designalltheworkingpartsofthepump;comparedthejetpumpnozzleringrelativetothetraditionalsinglenozzlejetpumphavemoreadvantages;Tomakethedesignofjetpumpsmeettheactualrequirements,Afterthecompletionoftheoveralldesign,checkthewholejetpump,anddostrengthcheckingtothemaincomponents.Keywords:Jetpump;Multi-nozzlering;Fixed;Productionequipment目录1.绪论 11.1研究的背景及意义 11.1.1石油的重要性 11.1.2采油方法方式简介 11.1.3射流泵采油的特点和优势 11.2射流泵研究与应用综述 21.2.1射流泵及其理论的发展历程 21.2.2射流泵的基本特性 41.2.3射流泵的基本应用 61.2.4射流泵研究存在的问题 61.2.5射流泵的前景展望 71.3毕业设计的主要内容 71.4所采用的研究方法 72.射流泵主要参数、构造以及工作原理 92.1射流泵的结构及工作原理 92.2射流泵的基本特征参数 102.2.1无量纲压力比P和无量纲压头比H 112.2.2无量纲体积流量比M和无量纲质量流量比G 112.2.3无量纲面积比R 112.2.4无量纲密度比ρr 122.2.5无量纲喉嘴距Ld 123.总体设计方案 133.1确定循环方式 133.1.1正循环和反循环 133.1.2选择循环方式 133.2环形多喷嘴射流泵对传统单喷嘴射流泵的优势 133.3选择动力液 134.水力学计算 144.1计算中的假设条件 144.2射流泵采油系统示意图与符号介绍 144.2.1主要符号介绍 144.2.2射流泵采油系统示意图 154.3已知条件 164.4射流泵参数计算 174.4.1计算喷嘴入口处压力P1 174.4.2确定泵的最优参数 214.4.3计算混合液流量Qm 214.4.4射流泵基本尺寸计算 214.4.5验算 235.结构设计及其计算 315.1确定泵工作筒的外径和壁厚 315.2设计环形多喷嘴 315.3设计进液和排液通道 325.4设计上接头和下接头 336.强度校核 356.1射流泵工作筒的抗压强度校核 356.2射流泵喷嘴安装套挡块的强度校核 397.结论 42致谢 451.绪论1.1研究的背景及意义1.1.1石油的重要性通过对石油的炼制可得到汽油、煤油、柴油等燃料以及各种机器的润滑剂、气态烃。通过化工过程，可制得合成纤维、合成橡胶、塑料、农药、化肥、医药、油漆、合成洗涤剂等。因此，石油被广泛运用于交通运输、石化等各行各业，被称为经济乃至整个社会的“黑色黄金”、“经济血液”。石油的流动改变着世界政治经济的格局，只要没有一种新的燃料能取代石油，国际间石油的争夺就不会停止。1.1.2采油方法方式简介采油方法主要有自喷采油和人工举升两种。在油井的开发过程中，当对油井试油后，会根据油井的油层物性、压力，选择合适的开采方式。在实际生产中，油层物性好、压力高的油井，油气可自喷到地表，即自喷采油。油层物性差、压力低的油井，当地层能量不足以将由油气举升到地表时，应人工补充能量，进行人工举升。1.1.3射流泵采油的特点和优势射流泵采油是一种特别适合海洋石油开采的无杆泵采油方式。射流泵能够适用于各种地层和管柱，射流泵主要由喷嘴、喉管及扩散管组成，如图1所示。其工作原理是将工作流体通过喷嘴高速喷出，同时静压能部分转换为动能，管内形成真空，低压液体被吸入管内。两股液体在喉管中进行混合和能量交换，工作液体速度减小，被吸液体速度增大，压力逐渐增加，在喉管出口处速度趋于一致。混合液体通过扩散管时，随着流道的增大，速度逐渐降低，动能转化为压力能，混合液体压力随之升高。图1-1射流泵原理示意图水力射流泵是利用射流原理将注入井内的高压动力液的能量传递给井下油层产出液的无杆水力采油设备，其没有运动部件，结构紧凑，泵排量范围大，扬程可达500-3000m，可抽吸含腐蚀、含砂介质的原油和气液比较高的原油，可用于高凝油、稠油、高含蜡油井。在日常生产中维护、测试、调参简单，检泵方便，在北达科他州Baakin油田测井数据表明，当“狗腿”严重度不超过200130.48m时，射流泵通过73.OOmm油管起下没发生过任何问题。射流泵免修期较长，在油井产量变化时调节极为方便，投资和操作费用较低，对定向井、水平井和海上丛式井的油气举升有良好的适应性，特别符合海上平台面积小、资源有限的基本情况。能够利用经过处理的平台生产系统产生的污水作为动力液，大大提高了资源利用率。1.2射流泵研究与应用综述1.2.1射流泵及其理论的发展历程射流泵以其结构简单的特点，自发明以来便被广泛应用于水利电力、交通运输、石油生产、建筑、化工生产、航空航天、给排水、医药生产、给排水、环境保护等各个领域。射流泵自詹姆斯(James)·汤姆森(Thomson)于1852年发明以来，至今己100多年的历史。在此之前，射流泵的基本原理，即两股流体的混合现象，在16世纪时便已经被发现，到19世纪，德国学者G·佐伊纳(Zeuner)根据动量定理，建立了射流泵的设计理论基础，1870年，他和M·兰柯尼(Runkin)[1-3]进一步发展了射流理论。1910年，洛伦兹(Lorenz)发表了著名的混合损失模型。1922年，K·罗菲(Hoefer)进行了液气射流泵对冷凝器抽真空试验。但是，这些理论还不能解决射流泵的计算问题。直到20世纪30年代，流体力学及空气动力学的发展，推动了射流泵的研究工作[4-5]。1933-1934年，J.E.戈斯利尼(Gosline)和M.P.奥布赖恩(O，brien)在加里福尼亚大学进行了系统的液体射流泵试验研究工作，并发表了射流理论研究与实验研究成果，成为射流泵设计的标准参考文献。1948年，D.斯立林(citrini)[6-7]在分析射流泵的阻力损失基础上，提出了提高泵效的途径。1951年，T.W.劳德斯(Rodes)提出了用射流泵抽送泥砂，并指出其经济性及可靠性[8]。1952年，J.w.麦科纳基(Maeonaghy)[9-10]，提出了射流泵装置性能计算方法。1957年，R.G.坎宁安(eunningham)[11]在戈斯利尼原来的表达式的基础上，扩展研究了抽吸高粘滞液体的射流泵特性，给出了射流泵在等密度体系条件的综合数学模型。1955-1956年，R.沃格尔(Vogel)研究了射流泵的基本性能最优设计参数，提出射流泵效率可以达到40%[12-14]。1956年，5.T.波宁顿(Bonnigton)对水及水气射流泵进行了详细试验后，提出了射流泵各部件的合理尺寸，并指出采用多喷嘴可缩短喉管长度。1956年，A.G.汉森(Hansen)提出液体射流泵设计方法1291。同年，Beeke:HA，HottelHC.以及WilliamsGc.研究了管道中混合射流。R.G.坎宁安在1970年.对射流泵的气蚀现象进行了研究，在1974年对液体射流泵压缩气体长喉管液气射流泵进行了深入研究。Raosingamsetti等人对射流泵特性曲线进行了深入研究，给出了不同结构参数射流泵的特性曲线，为射流泵的应用提供了良好的设计依据。然而，以上的研究仍然是初步的，虽然已从不同角度进行了理论和实验研究，但还局限于射流泵外特性研究，而对于射流泵内的流动规律认识还不够完善，从总体上还没有形成一个统一的规律，对于各种因素的影响规律认识还不足。进入20世纪80年代，随着石油开采的需要，对于射流泵水力特性的研究进入一个新的阶段。1980年，BrownK.E.和PetrieH出版了《人工举升方法》[15]一书，在戈斯利尼和奥布赖恩研究成果的基础上，对射流泵的工作原理、系统组成、水力特性等进行了系统地阐述。但这一研究仍局限于等密度体系(两股流体密度相等)。1983至1984年，petrieH.L.，smart，E.E.等人连续发表了文章，最新给出了非等密度体系中的模型，并对射流泵几何尺寸进行了初步研究。这些研究结果，可以很好地预测射流泵在原油生产中的工作情况。随后，万ondrodiPutr，B等人开展了远距离水力射流泵的研究与应用，cortevilie，J.c.等人开展了利用射流泵开采单相和多相原油的研究，HQLu等人开展了射流泵区间的数值计算，Jiao，B.，sehmidt，C.等人研究了两相水力射流泵的效率与压力恢复问题，1988年，GruPPing，A.w系统地阐述了油井射流泵的工作原理、计算公式、工作特性曲线、计算程序和算例，提供了一整套结合采油条件的理论和计算方法。这一阶段的研究结果，基本上可以满足生产的需要。但是，随着应用的不断推广，逐渐暴露出一些问题，如水力射流泵描述方法的统一性问题、提高射流泵效率问题、射流泵内在流场与外特性关系问题、有关射流泵各种摩擦损失系数问题、理论的实验验证问题等等，都需要进一步深入研究。我国虽然在50年代就开始了射流泵的应用研究，但是由于射流泵的效率不高，限制了它的应用与推广。直到70年代，基本上处于简单应用阶段，而对于理论研究则基本处于停滞不前的状态。从70年代末以后，一些学者开始对于射流泵的射流理论进行了较为深入的研究Is0Hs31，奠定了国内射流理论的基础。但是，从这以后，受应用的限制，研究进展仍然很慢，基本上还是处于试验和应用研究阶段。1987年，陆宏沂研究了国外学者大量的研究成果，出版了《射流泵技术的理论与应用》[16]标志着国内射流理论走向成熟。随着石油开采的需要，射流泵成为原油生产的一种重要艺方法，这时急需更加合理的射流泵基本理论。为此，邓匕华于1989年翻译并发表了H.Petrie的系列研究文章、牛宝荣翻译并发表了A.w.GruPPing的文章，张怀文于1990年翻译并发表了D.T.Hatsia的研究文章[17-19]，将国外的最新研究成果介绍到国内，从而奠定了射流泵应用的设计依据，提高了国内对射流泵的研究与应用。但是，这些研究都局限十对射流泵的外特性研究，给出的特性方程大多适合于等密度体系。1990年以后，随着计算机应用技术的不断发展，湍流模型的不断完善1691，尤其是湍流模式理论的出现与发展，以及各种数值计算方法的不断完善，使得对湍射流场直接进行数值计算成为可能。实验测量技术与流动显示技术的发展，为开展湍射流场实验提供了良好的手段。射流泵内部流场是一个非常复杂的湍射流场，其基本特性与很多因素有关，因此，对射流泵特性的研究是多方面的，但大致包括射流泵湍流模型、射流泵的基本特性、射流泵最优化参数解、湍流模式理论、射流泵湍射流场的数值模拟、射流泵实验研究等方面。1.2.2射流泵的基本特性射流泵基本特性指压力比、效率同流量比之间的关系。J.E.Gosline(戈斯利尼)，M.o，Brien(奥布赖恩)于1933-1934年在美国加里福尼亚大学水力学试验室，对射流泵进行了试验研究，试验用的射流泵有两种，它们是喉管呈圆柱形，和用铜片镶在两片平行的平板.卜的射流泵。采用的面积比为m=8.06-1.04的射流泵，共进行了786次试验。他们假设喷嘴出口外缘很薄，并假设喷嘴出口断面与喉管进口断面重合，即喉喷嘴距等于零。在此基础上，导出了射流泵的基本特性方程。这种方法考虑的因素比较全面，它为近代射流泵的研究打下了基础。但该研究与实际情况不符，因而其普遍性受到了限制。此外，这种方法的表达式较为复杂，有些因素如压水管及吸水管阻力系数、计入了射流泵基本性能方程中，使得基本性能方程有一定的局限性。R.Geunningham[17]在J.E.005Gosline和M.O’Brien[2]的研究成果基础上，于1953-1954年在美国宾夕亚大学对射流泵进行了·系列试验研究，试验用射流泵的面积比R=0.1-0.6，他导出了基本性能方程，1975年又根据射流泵存在一定的喉喷距的实际情况，提出了压力损失系数的概念。当喉嘴距为零时，；不为零，。RGcunningham还考虑了喉管入口结构对射流泵性能的影响，提出对射流损失系数进行修正，这种观点是正确的。但他只是根据经验提出一个系数，而没有阐明它的物理概念，也没有提出其具体表达式。1950年，K.E.srown和H.L.Petre出版了《人工举升工艺》[18]一书，在射流泵应用一章，他们在J.E.Gosline和M.O’Brien研究成果的基础上，利用能量守恒原理并采用Lorenz的混合损失模型，推导并给出了计算压头比的射流泵基本性能方程。该方法与J.E.Gosline和M.O’Brien方法一样，采用了压头比H，而计算压头比时需要确定很多参数，给计算带来了困难。H.L.Petrle，P.M.WIIson和E.E.Smart[3]于1983-1984年，连续发表了3文章，系统地阐述射流泵的工作原理，推导出了基本性能方程，以及系统选择设计方法。该方法与R.GCunningham给出的方法相类似，只是在该方法中没有考虑喉嘴距的影响。以上各种方法虽然在一定程度上为工程应用提供了设计依据，但它们都局限于等密度体系。在实际应用中，动力液与吸入液的密度往往不相等，如用水动力液抽取原油，或用轻质油动力液抽取重油等，在这种情况下，用前面在等密度体系中得到的特性方程来计算和设计射流泵工作系统时，将会产生很大误差，甚至严重影响射流泵的正常工作和生产。因此，研究射流泵在非等密度体系条件下的特性方程，是十分必要的。orupping，A.w.等人在H.L.Petrle，RM.wilson和E.E.smart等人研究成果的基础上，将特性方程扩展到非等密度体系中，给出了无量纲压力比的计算公式，但依然采用了无量纲质量流量比。该方法的缺陷在于没有区分射流泵的沉没压力与混合压力。由于采用了无量纲质量流量比，在计算效率时，将混淆效率的概念。为此，蔡启伦利用能量方程与动量定理对其进行了修正，给出了较为合理的特性方程。1.2.3射流泵的基本应用我国在60年代为解决甘肃省河西走廊提取地下水问题,开始将射流泵和离心泵相结合研制射流式井泵,由于加装了射流泵使整个井泵的吸程为离心泵吸程和射流泵增能部分之和,这一设备可代替传统的潜水泵从深10m以上的井中抽水。现在射流泵加压及提高汽蚀性能这一方面的应用更加广泛。中原油田分公司刘春旺等采用文丘里管射流泵装置回收低压天然气,该装置可将来自油水储罐的汽化天然气压缩成中压气,输送到不同用途的输气系统中;另外,这一装置还可用来回收乙二醇脱水器、加热处理器及低压分离器等的排出气体。2002年5月15日,该装置开始在美国得克萨斯ElEbanito[19-20]油气开采设备中使用,它每天回收的气量可创收336780美元。江苏大学孔繁余等针对大型碳酸盐泵机组和进出口管线发生异常噪声和振动现象,分析是由于泵汽蚀所致,提出在泵进口管线处增设射流装置,将泵自身出口的一部分高压液体引入到射流装置,并与来自储罐的液体混合,增加液体压头后提供给泵进口,以提高泵的有效汽蚀余量,有效地解决了泵机组及进出口管线的异常噪声、振动问题,消除了化工系统的安全生产隐患。此外,射流泵喷嘴处的高速液流能形成低压,将其应用于自吸离心泵可有效地缩短自吸时间。江苏大学的刘建瑞等在以汽油机为动力的离心泵的基础上增设了一个带文吐里管的自循环射流器,利用泵压水室有压流体通过射流器喷嘴高速射向泵的进口处,对离心泵的进口管路造成较强的抽吸真空,实现普通离心泵的自吸启动,离心泵正常工作后,这时将自循环射流器上的阀关闭,自循环射流器停止工作。经试验,加装射流装置后的自吸离心泵的自吸时间短,性能曲线稳定、平坦,高效率区范围宽、工况佳;整台泵的自吸高度在5m时自吸时间是90s及95s,比国家标准快10s及5s,泵的效率提高3%以上。1.2.4射流泵研究存在的问题虽然许多研究者做了大量的工作，但由于射流泵内部为一复杂的湍射流场，对射流泵性能和湍射流场特性的研究还有待于进步进行。纵观射流泵研究与应用的历史，存在以下几个方面的问题[21]:(l)基本理论研究不够完善。射流泵的基本理论主要体现在外特性方面，即射流泵的基本特性方程。目前还没有统一的特性方程，而射流泵的基本特性方程又是其它特性研究的出发点，因此，基本特性方程的不完善，导致了其它特性研究也不够完善。(2)实验研究不够深入。如上所述，尽管己出现了各种先进的流动显示技术及测量手段，但由于射流泵泵体结构的特点，这些先进的实验技术手段尚未被广泛应用于射流泵湍射流场的研究与测试中，而实验结果又是验证理论与数值计算结果的最为可靠的依据，因此，实验技术的落后，限制了射流泵的理论研究。(3)数值模拟。众所周知，数值模拟方法以其省时省力被广泛应用于流场计算中，但是，对于象射流泵这样复杂的湍射流场，数值计算仍然相当费时。同时，由于实验技术手段的滞后(未被充分利用)，又限制了数值计算的发展。1.2.5射流泵的前景展望综合国内外各种研究分析表明,射流泵的发展趋势大体有以下几点[22]：(1)继续扩大对射流泵使用范围的研究,将其与各种工作泵和其他设备组合使用，以满足不同的实际工作要求。(2)采用先进的测试设备,深入研究射流泵内部的实际流动状况，为理论分析提供试验依据。(3)进一步剖析射流泵各结构参数间的联系,提高射流泵的效率。(4)利用合理的设计方法,研制各种新机理、新结构的射流泵,提高其整体性能。1.3毕业设计的主要内容(1)查阅、收集有关射流泵的资料，理解射流泵原理与结构，了解国内外射流泵的研究与应用现状和发展趋势，搞清本次毕业设计所要设计的内容，在此基础上完成开题报告。(2)查阅有关射流泵的外文资料并选定一篇进行翻译。(3)分析常规采油射流泵的结构特点及其所存在的缺陷，提出固定型环形多喷嘴射流泵采油装置的的设计方案。(4)画出结构草图，并根据任务书所给数据进行计算和校核，确定射流泵的各零部件具体尺寸，如有需要，对初步方案和草图进行修改。(5)画出射流泵的装配图和各零部件的零件图。(6)完成毕业设计论文。1.4所采用的研究方法本次设计主要采用的方法是文献研究法，通过查阅和收集有关射流泵原理结构和在油气举升应用方面的论文、专利、期刊和书籍，了解普通射流泵采油装置的原理、结构以及存在的问题，针对问题提出固定型环形多喷嘴射流泵采油装置的设计方案。2.射流泵主要参数、构造以及工作原理2.1射流泵的结构及工作原理射流泵是一种特殊的水力泵，它没有运动件，而是通过动力液与地层吸入流体之间的动量转换实现抽油的。完整的射流泵系统可分为地面部分、中间部分和井下部分。其中，井下部分为射流泵，它沉浸于井液中，射流泵主要由喷嘴、喉管和扩散管三个部件组成，其典型结构和工作流程如图2-1所示。1-动力液管2-喷嘴3-混合室4-喉管5-扩散管6-吸入管图2-1射流泵工作流程示意图工作时，动力液从动力液管注入，经射流泵上部流至喷嘴喷出，射入与地层液相连通的混合室。在喷嘴处，动力液的总压头几乎全部变为速度水头此压力很低，进入混合室的原油则被动力液抽吸，混合后流入喉管。喉管直径总是要大于喷嘴直径，动力液和地层流体在喉管内充分混合后，速度水头降低，而压力水头有所回升。在此过程中，动力液失去动量和动能，而地层流体得到动量和动能。但是，由于此时总水头仍主要是以速度水头的形式存在，压力水头较低还不能将混合液举升到地面。射流泵的最终工作断面为精细的扩散管断而，由于扩散管断面面积逐渐增大，使得速度水头转换为压力水头，从而可使混合液举升到地面上来。按照工作流体的种类不同，射流泵可分为液体射流泵和气体射流泵(喷射泵)两种。按下泵深度的需要，射流泵可分为大面积比射流泵和低面积比射流泵。大面积比射流泵用于浅井或地面物料的输送，射流泵不需要太高的举升能力，但需要较高的流量比;而深井需较高的举升能力，这就要求较高的动力液压力，则动力液流量相对较小，因此常采用低面积比射流泵。按照循环方式不同，射流泵又可分为正循环(标准循环)和反循环两种方式，正循环方式是以中心油管为动力液管柱，以油、套环形空间为乏动力液返出管柱；反循环方式则是以油、套环形空间为动力液管柱，而乏动力液则由油管返排到地面。利用射流泵进行油井排砂的系统，只能采用反循环方式安装。但是，无论是正循环还是反循环安装方式，射流泵的工作原理是相同的。根据以上分类，用于油井排砂的射流泵，应当采用液体作为动力液的低面积比值反循环射流泵。2.2射流泵的基本特征参数射流泵的压力流量与泵的几何尺寸之间的关系反映了射流泵内能量转换过程的主要工作构件(喷嘴、喉管及扩散管)对其性能的影响。射流泵的生产厂家提供的射流泵往往有多种喷嘴和喉管组合，以适应于各种不同的油井条件。对于每一种规格的喷嘴都配有多种规格的喉管，以获得不同的工作特性。然而，对这些规格并没有标准化，因而导致了大量的特性曲线。因为每条曲线实际上是取决于喷嘴压力的一组曲线，因而就使得具体油井的选泵工作出现了混乱。为此，人们便使用无量纲参数来描述射流泵的工作特性。图2-2为射流泵的结构示意图，本文定义的基本特性参数如下：1-动力液管2-喷嘴3-混合室4-喉管5-扩散管6-吸入管图2-1射流泵结构示意图2.2.1无量纲压力比P和无量纲压头比H无量纲压力比P定义为：地层液压力增量(P1-P2)与动力液压力的降低量之(P2-P3)比，即P=（P2-P3)/（P1-P2）（2-1）式中：P1为动力液进泵压力，MPa；P2为泵排出压力，MPa；P3为吸入液进泵压力，MPa。无量纲压头比H定义为：泵内地层液压头的增量(H2–H3)与动力液压力的降低最(H1-H2)之比，即H=（H2–H3）/（H1-H2）（2-2）式中：H1为动力液进泵压头，mm；H2为排出口压头，mm；H3为吸入液进泵压头，mm。2.2.2无量纲体积流量比M和无量纲质量流量比G流量比M定义为：地层流体的体积流量q3与动力液的体积流量q1之比，即，M=q3/q1（2-3）目前，在射流泵的特性方程中，常采用体积流量比M，简称流量比。流量比G定义为：地层流体的质量流量G3与动力液的质量流量G1之比，即，G=G3/G1（2-4）2.2.3无量纲面积比RR的定义为：喷嘴出口流道截面积AJ与喉管流道面积At之比，即，R=AJ/At（2-5）当忽略喷嘴出日外缘厚度时，有AS+AJ=At（2-6）式中：AS为喉管入口处吸入液所占的流动截面积。因此，存在如下关系：vS=Rvj/(1–R)，vt=R(1+M)vj（2-7）式中：vj为动力液在喷嘴出口处断面平均流速；vS为吸入液在射流泵入口断面平均流速；vt为混合液在喉管中断面平均流速。2.2.4无量纲密度比ρr定义为:地层流体的密度与动力液的密度之比，即=/（2-8）2.2.5无量纲喉嘴距LdLd定义为喷嘴出口跟喉管入口的距离L与喷嘴直径dj之比，即Ld=L/dj（2-9）3.总体设计方案3.1确定循环方式3.1.1正循环和反循环射流泵动力液的流动方式有正反循环之分。所谓正循环，就是动力液从地面经油管被注入井下射流泵中，混合液从环空中反排到地面；反循环正好相反。3.1.2选择循环方式本次设计考虑到混合液流量比动力液大、油套环空截面积比油管截面积大，所以为了减小混合液反排过程的阻力损失，选择正循环方式。3.2环形多喷嘴射流泵对传统单喷嘴射流泵的优势传统液体射流泵只有一个喷嘴,由于其原始结构尺寸较大，效率较低不利于射流泵的安装与应用。多喷嘴射流泵相比较具有工作压力高、当量喷嘴大小可以调节、喷嘴不会堵塞、磨损小、结构简单、安装方便、重量轻等优点，具有相当广阔的应用前景和较高的研究价值[13]。环形多喷嘴射流泵的工作流体通过多个喷嘴射出,有压液体通过多喷嘴射出多股流体,在喷嘴口处由于射流边界层的紊流扩散作用,与周围被吸流体发生动量交换,工作流体与引射流体相接触的表面比相应的单喷嘴射流泵大,工作流体与引射流体能比较迅速地进行能量和动量交换,使混合流体速度较早均匀。对于喉管直径一定的多喷嘴射流泵,其喉管长度比中心射流泵短,即多股流体能够在很短的距离内混合均匀[23]。3.3选择动力液射流泵对动力液的要求不高，只要不含腐蚀性物质和杂质颗粒的液体一般都可以。为了节省资源，降低生产成本，提高资源利用率，可将生产系统产生的废水污水进行处理后作为射流泵的动力液。4.水力学计算4.1计算中的假设条件（1）由于动力液和吸入液是水，所以可以假设动力液和吸入液为不可压缩流体；（2）动力液和排出液在油管和环空中是稳定流；（3）计算油管和环空中阻力损失时假设液体温度均为20℃，其他计算中井下温度按60℃计算；（4）动力液和地层液混合时不考虑热交换。4.2射流泵采油系统示意图与符号介绍4.2.1主要符号介绍下文计算中用到的主要符号介绍如下：P0—地面动力液压力，MPa；PS—吸入液压力，MPa；P1—进入泵的动力液压力，MPa；PJ—喷嘴出口处动力液压力，MPa；Pt—喉管入口处压力，MPa；Pd—喉管出口处压力，MPa；P返—返排到地面的余压，MPa；Pm—排出液（扩散管出口处）压力，MPa；Qn—动力液流量，m3/min；QS—吸入液流量，m3/min；Qm—排出液流量，m3/min；Q—每个子喷嘴动力液流量m3/min；—喷嘴直径，mm；—水力吸入直径，mm；—喉管直径，mm；—扩散管出口直径，mm；γ0—动力液重度，N/m3；γm—排出液重度，N/m3；γS—吸入液重度，N/m3；—动力液密度，kg/m3；—排出液密度，kg/m3；—吸入液密度，kg/m3；Aj—喷嘴出口断面面积，mm2；AS—吸入面积，mm2；At—喉管断面面积，mm2；D1—套管内径，mm；D2—油管内径，mm；H—射流泵工作点距离地面垂直距离，m；v1—动力液在油管中的流速，m/s；v2—排出液在环空中的流速，m/s；vd—导液管中工作液体的流速，m/s。4.2.2射流泵采油系统示意图固定型环形多喷嘴射流泵采油系统如图4-1所示：图4-1射流泵采油系统示意图4.3已知条件根据任务书和工程背景可得以下已知条件：（1）动力液的流量：Qn=0.25m3/min；（2）泵的排量：QS=240m3/d；（3）动力液在井口处的压力：P0=20MPa；（4）吸入液的压力：PS=6MPa；（5）套管内径：D1=124.26mm；（6）油管内径：D2=62mm；（7）油管外径：D`2=73mm；（8）动力液重度：γ0=9810N/m3；（9）吸入液重度：γS=9810N/m3；（10）井深：H=1800m。4.4射流泵参数计算4.4.1计算喷嘴入口处压力P1选择图1中0-0断面、1-1断面为计算断面。选择射流泵中心线所在的水平面作为计算基准。列0-0和1-1断面上的伯努利方程，（4-1）式中：—断面0-0相对于参考平面的高度，m；—断面1-1相对于参考平面的高度，m；—动力液在油管中的流速,m/s；—地面动力液压力，MPa；—断面1-1处动力液压力，MPa；—0-0断面和1-1断面之间的阻力损失，mm。由已知条件可得：=1800mP0=20MPa对0-0和1-1断面之间的管路：（4-2）式中：—动力液的流量，；—油管的内径，。由已知条件得：=0.25m3/min=62mm解（4-2）式得：阻力损失：（4-3）式中：—沿程阻力损失，m；—局部阻力损失，m。根据达西定理：（4-4）式中：—沿程阻力系数。可根据尼古拉斯实验曲线求解，尼古拉斯实验曲线可以分为五个阻力区，每个阻力区所在范围不同，特点也不同，导致了每个区有不同的沿程阻力系数。具体情况如下：Ⅰ区层流区0<Re<2320Ⅱ区临界区2320<Re<4000Ⅲ区水力光滑管区Ⅳ区过渡区Ⅴ区水力粗糙管区其中：—管路水力直径，mm；此处；—管材的绝对粗糙度，mm；查《水力学与水利机械》[24]表5-2可得对于无缝钢管油管，=0.04-0.17mm取；—雷诺数。雷诺公式为：（4-5）其中：—动力液运动粘度；此处可将动力液当水来处理，查《水力学与水利机械》[24]表1-3得标准大气压下20℃的水的运动粘度为：。将各参数的值代入式（4-5）得雷诺数为：计算得：=28005.19=909789所以，所以0-0断面、1-1断面之间的流动属于过渡区，其沿程阻力系数为：将代入（4-4）式=67.221m根据包达定理：（4-6）式中：—为导液管中工作液体的流速；—局部阻力系数，查《水力学与水利机械》[24]表5-4因为从油管进入导液管属于“突然缩小”这种状况，所以可得：式中：为导液管内径，一般取20mm，所以，=0.448因为工作液体流量一定，所以算得：=13.261m/s4.019m将hf和hj带入（4-3）式中，得：联立(4-1)-(4-6)各式可解得4.4.2确定泵的最优参数本次设计引用美国国民油井公司的射流泵的最优面积比[25]：4.4.3计算混合液流量Qm根据已知条件中动力液的流量和泵的排量可计算得泵的混合液流量为：4.4.4射流泵基本尺寸计算（1）确定射流泵的外径和壁厚：由于油管内径为，泵的壁厚一般为，本次设计取壁厚。（2）喷嘴直径和喉管直径：由于是多喷嘴射流泵，设定喷嘴数为4个，所以忽略喷嘴外缘厚度时，每个喷嘴出口面积、喉管断面面积以及吸入面积的关系如下：（4-7）=（4-8）引用蔡启伦《喷射泵设计计算公式的改进》[26]中最小吸入面积的计算公式：（4-9）式中：QS—泵的排量，2.77810-3；PS—吸入液的压力，6MPa；γS—吸入液的重度，9810。将以上数据带入（4-9）式得：联立（4-7）（4-8）式得：=45.926mm2所以最小喷嘴直径为：（4-10）取=3.1mm。最小喉管直径为：（4-11）取=7.7mm。（3）喉嘴距和喷嘴角度引用《多喷嘴射流泵数值模拟及试验研究》[27]中喷嘴数为时给出的最优喉嘴距和喷嘴角度，（4-12）（4）喉管长度陆宏圻《射流泵技术的理论及应用》[16]中给出的最优喉嘴距为：（4-13）这里取7，所以，Lc=7dt=77.7=53.9mm（5）扩散管长度此处引用陆宏圻《射流泵技术的理论及应用》[16]中公式：（4-14）式中：—扩散管出口直径，考虑油管最大外径为、壁厚为5.5mm，此处选取=30mm；—扩散角，一般采用均匀扩散角，此处选取=。所以，取159.5mm。4.4.5验算射流泵的验算主要由两个方面，一是检验喷嘴出口处压力（吸入室）压力是否低于地层液的压力，二是混合液反排到地面的余压是否合适，一般余压为较合适。（1）验算动力液在喷嘴出口处压力本次设计引用王常斌《油井排沙用射流泵的研究》[19]博士论文中推倒出的公式（4-15）方程经过变换，得：（4-16）式中：—喷嘴入口出动力液压力，P1=36.871MPa；—喷嘴出口处动力液压力，MPa；—喷嘴摩擦损失系数，取Sanger的实验值=0.09；—动力液密度，=1.0×103kg/m3；—动力液在喷嘴里的平均速度。由求得：==274.166m/s将=274.166m/s代入（4-16）式，得=－1.84MPa即，==－1.84MPa。表4-1Sanger的摩擦损失系数表0.0080.090.0980.102—（2）求扩散管入口压力由于伯努利方程不适用于喉管，因此在喉管进出口之间（即3-3和4-4断面之间）应用动量定理：（4-17）式中：—喷嘴出口处动力液压力，=－1.84MPa；—喉管出口压力，；—喉管断面面积，=46.542mm2；—喷嘴出口面积，=3.799mm2；；—吸入面积，=31.344mm2；—动力液在喷嘴中的流速，274.166；—吸入液在喉管入口出流速，=88.622m/s；—混合液在喉管中的流速，=149.208m/s；—吸入液的密度，；—混合液的密度，；—喉管摩擦损失系数，取Sanger的实验值=0.098。由于工作液与吸入液的密度均为，所以混合液的密度也为，即=；将各参数的值代入（4-17）式，得：=8.700MPa（3）求扩散管出口压力选择图1中4-4断面、5-5断面为计算断面，选择射流泵中心线所在的水平面作为计算基准，列4-4和5-5断面上的伯努利方程（4-18）式中：—断面4-4相对于参考平面的高度，m；—断面5-5相对于参考平面的高度，在工程应用中可认为=；—扩散管出口处混合液的流速，m/s；—排出液在喉管中的流速，前文已知149.208m/s；—扩散管出口压力，MPa；—扩散管入口压力，前文已知=8.248MPa；—排出液重度，前文中已知=9810N/m；—排出液在扩散管中的摩阻损失，m。对5-5断面，有（4-19）式中：—混合液流量，前文已知=；—扩散管出口直径，前文已知=30mm；—扩散管出口处混合液的流速，m/s。所以，=9.829m/s扩散管中的摩阻损失为（4-20）式中：—扩散管摩擦损失系数，取Sanger的实验值=0.102；—混合液流量，前文已知=；—混合液的密度，前文已知；—扩散管出口处混合液的流速，前文已知=9.829m/s。将以上参数代入（4-20）式，得=68.431m将各个参数代入（4-18）式，计算得：=19.123MPa（4）求排出液反排到地面的余压选择图1中5-5断面、6-6断面为计算断面；选择射流泵中心线所在的水平面作为计算基准。列5-5和6-6断面上的伯努利方程（4-21）式中：—断面5-5相对于参考平面的高度，m；—断面6-6相对于参考平面的高度，m；—排出液在油套管环空中的流速，m/s；—断面5-5处排出液压力压力，前文已知=19.123MPa；—反排到地面的余压，MPa；—排出液重度，前文已知得=9810N/s；—5-5断面和6-6断面之间的阻力损失，m。由已知条件可得：=1800m对5-5和6-6断面之间的管路：（4-22）由上述计算结果和已知条件知：=0.00694m3/s124.26mm=73mm代入（4-22）式，得：解得：=0.874m/s阻力损失（4-23）式中：—5-5和6-6断面间管路沿程阻力损失，m；—5-5和6-6断面间管路局部阻力损失，m。根据达西定理：（4-24）式中：——沿程阻力系数。可根据尼古拉斯实验曲线求解，尼古拉斯实验曲线可以分为五个阻力区，每个阻力区所在范围不同，特点也不同，导致了每个区有不同的沿程阻力系数。具体情况如下：Ⅰ区层流区0<Re<2320Ⅱ区临界区2320<Re<4000Ⅲ区水力光滑管区Ⅳ区过渡区Ⅴ区水力粗糙管区其中：—管路直径，此处；—管材的绝对粗糙度，查《水力学与水利机械》[24]表5-2可得对于无缝钢管油管，=0.04-0.17mm取0.1mm；—雷诺数，此处，其中为动力液运动粘度，查《水力学与水利机械》[24]表1-3可得=1.0×10-6m2/s。所以，经计算得：=27747.47=667536.87所以，所以环空中的流动属于，其沿程阻力系数为：=0.02669所以（4-24）式为：=36.526m由于从扩散管出口至地面局部压力损失可以不计，所以（4-23）式为：联立以上（4-21）-（4-24）式，解得：1.154MPa由于在计算中部分摩阻损失忽略计算，如油管接箍处的局部阻力损失、从扩散管到油套环空的阻力损失，为了满足生产要求，所以混合液反排余压应保留稍微大一些，即合适，本次设计的射流泵满足要求。5.结构设计及其计算1-上接头；2-导液管1；3-喷嘴挡块；4-喷嘴安装套；5-喷嘴；6-环形垫圈1；7-喉管；8-扩散管1；9-扩散管2；10-导液管2；11-中心筒；12-工作筒；13-连接桥；14-环形垫圈2；15-下接头。图5-1固定型环形多喷嘴射流泵示意图5.1确定泵工作筒的外径和壁厚取射流泵的工作筒外径为，壁厚一般为，本次设计取壁厚为。5.2设计环形多喷嘴（1）喷嘴设计取喷嘴长度为8mm，喷嘴壁厚取1.5mm，由前文计算所得喷嘴直径，喷嘴材料为硬质合金。所以设计的喷嘴如图5-1所示。图5-2喷嘴示意图（2）喷嘴安装套设计喷嘴安装套的主要作用在于安装，固定喷嘴。由于喷嘴数目为4，喷嘴直径，喷嘴壁厚为1.5mm，喷嘴长度为8mm，所以设计喷嘴安装套直径为，设计以钻了4个与喷嘴外径相同圆孔的圆柱作为多喷嘴安装套，材料为45#刚。如图5-2所示。图5-3喷嘴安装套示意图5.3设计进液和排液通道进液和排液通道截图见图5-3，地层液和混合液交叉通过，需要设计一个桥结构，使地层液能够通过，且混合液能够排出。如图5-3所示，地层液从垫圈中进入，垫圈上开有4个过液长孔，垫圈外径比泵的工作筒内径小。进液和排液桥1的外边缘开有8个圆形通孔，用来通过吸入液，桥的中心钻孔，并在四周均匀布置四个孔。地层液进入垫圈与泵工作筒的环形空间后经进液和排液桥1边缘的四个通槽流进工作筒与内筒（用来装喉管、扩散管的圆筒）的环形空间，该环形空间与射流泵的吸入室相连通，所以地层液就可以最终流至吸入室。1-进液和排液桥；2-工作筒；3-垫圈.图5-4进液和排液通道5.4设计上接头和下接头上接头如图5-5所示，左端跟油管采用螺纹配合，由于油管的螺纹式UPTBG的标准，所以左端螺纹是UPTBG的标准螺纹。图5-5上接头结构示意图下接头如图5-6所示，右端跟油管采用螺纹配合，由于油管的螺纹式UPTBG的标准，所以右端螺纹是UPTBG的标准螺纹。图5-6下接头结构示意图6.强度校核射流泵设计计算完成以后需要对关键部位、受力最大处和压力较大处进行强度校核，以保证泵能在给定的工况下安全工作。本次设计需要进行强度校核的有以下部位：（1）射流泵工作筒的抗压强度校核；（2）射流泵喷嘴安装套挡块的强度校核。6.1射流泵工作筒的抗压强度校核工作筒外壁受到排出液压力；内壁受到吸入液压力；如图6-1所示：图6-1工作筒受压示意图由于工作筒壁厚为，，，所以应当按照厚壁情况来处理。图6-2表示一厚壁圆筒，和分别为圆筒所受的内压力和外压力。以半径为和的两个相邻圆柱面和夹角为的两个相邻径向面，从圆筒中取出单元体，并设单元体沿轴线方向的尺寸（即垂直于图面的尺寸）为一单位。-圆管内部压力；-远观外部压力；φ-单元体位置夹角；-单元体弧度坐标；-单元体厚度；-单元体在弧度方向的厚度.图6-2圆筒应力分析图如图6-3所示，作用于单元体的柱面ab上的正应力称为径向应力，作用于径向面上ab上的正应力称为周向应力或环向应力。根据轴对称的性质，和都只是的函数，与角无关。所以cd和ab面上的正应力相同，bc面上的正应力比ad面上的多一个增量。也由于对称的原因，单元体的周围四个面上无切应力，和都是主应力。6-3单元体应力分析图根据以上分析可知：单元体四个面上无切应力，和分别是和方向的主应力，并参考《材料力学》[28]力和的计算公式：（6-1）（6-2）式中：—厚壁圆筒的内径，mm；—厚壁圆筒的外径，mm；—厚壁圆筒内部压力，MPa；—厚壁圆筒外部压力，MPa；—单元体所在圆的直径，mm。已知泵的工作筒：内径=72mm；外径=82mm；内部压力=6MPa；外部压力=19.123MPa。取泵工作筒的任一截面上距离轴线的单元体研究，根据以上结论可得该单元体在径向和周向无切应力，向和向的主应力为因为工作筒是上下都是以螺纹方式连接在油管上，所以轴向不受力，即轴向无主应力。因此工作筒截面上单元体的应力为二向应力状态。由于工作筒材料选用45#钢，属于塑性材料，所以用第三强度理论进行校核，即（6-4）（6-5）式中：—数值最大的主应力，MPa；—数值最小的主应力，MPa。屈服准则为：（6-6）将前面计算所得的和带入（6-6）式子，得由于工作筒内径为72mm，外径为85mm，所以最大主应力与最小主应力之差的最大值是当mm时取得，即在工作筒内壁上最容易发生材料破坏，最大主应力与最小主应力之差的最大值为因为45#钢为塑性材料，所以其许用应力为（6-6）式中：—45#钢的许用应力，MPa；—45#钢的屈服极限，MPa；—安全系数。45#钢的屈服极限可查《材料力学》[28]得到=353MPa。对于安全系数，因为泵的工作筒属于水管部件，并且屈服极限=353MPa，所以此处安全系数可取=1.5，将各参数值代入式（6-9）解得45#钢的许用应力为=235MPa经比较，，所以工作筒满足强度要求，是安全的。6.2射流泵喷嘴安装套挡块的强度校核如图6-4所示，喷嘴安装套安装在导液管1与喷嘴安装套挡块之间，受到喷嘴安装套凸台A-A面受到一个剪切力的作用，所以需要校核A-A面的剪切强度。图6-4喷嘴安装套如图6-5所示为喷嘴安装套挡块A-A受力图，喷嘴安装套受到动力液压力作用，而喷嘴安装套将动力液压力传递到喷嘴安装套挡块的凸台上，取截面A-A研究，由于左方受喷嘴安装套压力作用，所以A-A截面上受到剪力的作用，剪力的大小为（6-7）式中：—m-m截面上的剪力，N；—动力液喷嘴入口处压力，MPa；—喷嘴安装套挡块凸台内径，mm；—喷嘴安装套挡块环A-A截面所在圆的直径，mm。图6-5喷嘴安装套挡块A-A截面受力示意图动力液压力在前文已计算出MPa，根据装配图可得喷嘴安装套挡块凸台内径=27mm，喷嘴安装套挡块凸台A-A截面所在圆的直径=32mm。根据切应力的公式，A-A截面的切应力为（6-8）式中：—截面A-A内的切应力，MPa；—A-A截面的厚度，mm。—喷嘴安装套挡块凸台A-A截面所在圆的直径，mm；从装配图中可得在设计结构时确定的密封圈挡环A-A截面的厚度为=3.8mm。喷嘴安装套挡块凸台所受的合力为（6-9）式中：—动力液喷嘴入口处压力，MPa；A—承受动力液压力的喷嘴安装套与喷嘴面积和，mm；由零件图得承受动力液压力的喷嘴安装套与喷嘴面积和A=298.81mm2。所以N将带入（6-8）式，解得截面A-A内的切应力为=28.854MPa喷嘴安装套挡块的材料为45#钢，其许用切应力查《理论力学》[28]为MPa，显然，所以A-A截面满足剪切强度要求，此处安全。7.结论射流泵设计理论研究已有100多年的历史，它是一种依靠流体之间动量交换来工作的流体机械泵，由于它没有运动，具有结构简单、工作可靠、易于操作、便于维护和综合利用等特点，被广泛用于各个行业中，尤其是在石油行业的采油设备中，射流泵更有不可代替的优越性。然而传统液体射流泵只有一个喷嘴,由于其原始结构尺寸较大，效率较低不利于射流泵的安装与应用。因此针对上述问题提出多喷嘴射流泵的研制。多喷嘴射流泵相比较具有工作压力高、当量喷嘴大小可以调节、喷嘴不会堵塞、磨损小、结构简单、安装方便、重量轻等优点，具有相当广阔的应用前景和较高的研究价值。本文专门设计了固定型环形多喷嘴射流泵采油装置，并根据给定的工况数据计算设计出了射流泵的结构尺寸，校核了结构的强度。本文的主要成果如下：（1）阐述了射流泵研究的背景与意义，介绍了射流泵的发展历史、基本特性和基本应用，并且说明了射流泵目前存在的问题，以及对射流泵的前景进行了展望；（2）介绍了射流泵面积比、流量比、压力比和容重比等射流泵参数；（3）介绍了固定型环行多喷嘴射流泵的工作原理，并且跟传统但喷嘴进行比较，充分表现了固定型环行多喷嘴的优势；（4）设计了固定型环行多喷嘴的总体结构，计算了泵的各个部件尺寸与有关水利参数；（5）对泵的关键部位、受力最大处和压力较大处进行强度校核，以保证泵能在给定的工况下安全工作。参考文献[1]RankineJM.Onthemathematicaltheoryofcombinedstreams[M].Landon:Tuwert,1870:24-26.[2]GoslineJE,ObrienMP.Thewaterjetpump[M].California:Hewron,1934:57-60.[3]CoffJA,CoognCH.Sometwodimensionalaspectsof