轮毂半锥角对轴流式油气混输泵压缩级性能的影响

摘要

油气混输技术是近年来发展起来的一种高效经济的油田开发方式。轴流式油气混输泵作为油气混输技术的核心设备，是一种集常规液相泵和气体压缩机性能于一体的多相输送装置，其由多个压缩级串联工作，每个压缩级均由一个动叶和一个静叶组成。而轮毂半锥角作为动、静叶重要的结构参数，对油气混输泵压缩级的性能有着重要的影响。因此，对动、静叶轮毂半锥角的研究有着特殊的意义。本文以自主研发的 YQH-100 螺旋轴流式油气混输泵压缩级为研究对象，采用Mixture模型，标准k-ε湍流模型，速度压力耦合计算采用SIMPLE算法对混输泵压缩级进行数值计算，讨论动、静叶轮毂半锥角大小的变化对油气混输泵压缩级性能的影响规律。主要研究内容和结论如下： 1.设计出轮毂半锥角分别为 4.08°、6°、8°、10°、12°的 5 种轴流式油气混输泵单一压缩级模型方案，在进口含气率分别为0、10%、30%、50%、70%的5种工况下进行数值模拟。结果表明，随着轮毂半锥角的增加动叶扬程先降低后升高，静叶水力损失不断增大，混输泵单一压缩级扬程呈现先下降再升高后下降的趋势，轴功率逐渐下降，效率逐渐升高；同一进口含气率工况下，不同轮毂半锥角的混输泵单一压缩级上均有较好的增压能力，其中轮毂半锥角为4.08°时，压缩级的增压能力最强；对同一轮毂半锥角的混输泵单一压缩级而言，进口含气率越高，从动叶进口到静叶出口的压力梯度越小；当轮毂半锥角增大时，动叶出口回流量减少，动叶内气相分布更加均匀，但静叶流道内旋涡增多。 2.为了同时兼顾混输泵压缩级的扬程和效率，并考虑到混输泵在现场运行时，其输送的气液两相介质中气相具有可压缩性这一特点，提出一种轮毂半锥角逐级变化的油气混输泵三级压缩级模型方案（New Model），记为“NM”。在进口含气率分别为0、10%、30%、50%、70%的5种工况下进行数值模拟，并与各级轮毂半锥角不变的YQH-100油气混输泵三级压缩级模型（Original Model），记为“OM”，进行分析对比。结果表明，随着进口含气率的增大， NM 的扬程降低幅度更小，性能更为稳定，以OM在各含气率下的平均扬程及效率为参照，各含气率下，NM的扬程平均下降0.52%，但效率提高3.69%；与OM相比，NM的动叶工作面出口局部高压区较少，动、静叶内部流动更加通畅且流道上气相分布更为均匀。

目录

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第1章 绪论

1.1 油气混输泵概述及其研究意义

1.2 国内外研究现状综述

1.3 两相流动规律的研究和发展

1.4 本文主要研究内容

1.5 创新点

1.6 本章小结

第2章 数值模拟和气液两相流动理论

2.1 数值模拟方法

2.2 两相流控制方程

2.3 多相流模型

2.4 湍流模型

2.5 近壁区域的处理

2.6 本章小结

第3章 三维模型建立与网格划分

3.1 作用原理及性能特点

3.2 YQH-100螺旋轴流式油气混输泵参数简介

3.3 轮毂半锥角的选取及方案设计

3.4 计算域模型的建立

3.5 网格划分

3.6 混输泵压缩级性能参数预测

3.7 数值模拟参数设置

3.8 网格无关性检查

3.9 计算结果验证

3.10 本章小结

第4章 轮毂半锥角对混输泵单一压缩级性能的影响

4.1 外特性分析

4.2 压力分析

4.3 压缩级内部流动分析

4.4 相态分布分析

4.5 本章小结

第5章 变轮毂半锥角的混输泵三级压缩级性能分析

5.1 方案介绍

5.2 外特性分析

5.3 压力分析

5.4 速度分析

5.5 相态分布分析

5.6 本章小结

总结与展望

1. 总结

2. 展望

参考文献

致谢

附录 A 攻读学位期间公开发表的论文