（机械工程专业论文）水下螺旋轴流式多相混输泵的设计研究.pdf

摘要 在陆地油气资源日益匮乏的今天，储量丰富的海底油气资源的开采逐渐成为全世界 的关注焦点。由于海底环境比较苛刻，要利用常规开采技术对其油气资源进行开采时， 其经济效益微乎其微，而海底多相混输泵则可大大降低开采成本。因此，有必要对有诸 多优点的螺旋轴流式多相混输泵进行设计研究。本文针对螺旋轴流式多相混输泵在运行 过程中存在的轴向力平衡难、密封装置温升高等问题进行了研究。 为解决螺旋轴流式多相混输泵轴向力平衡困难的问题，本文通过对传统轴向力平衡 装置的对比分析，优选出了合理的轴向力平衡装置平衡盘装置。同时，由于目前平 衡盘装置两间隙内的流场分析存在一定的问题，本文在层流状态下，利用连续性方程和 n s 方程对两间隙内流场进行了理论分析，并用c f d 数值模拟对理论分析进行了验证， 得知理论分析结果基本符合数值模拟结果：根据理论值与模拟值间产生误差的原因，提 出了带修正系数的计算公式。 用常规设计方法对平衡盘设计时，存在计算量大、参数选取具有随机性等不足，且 目前提出的优化方法具有一定的缺陷。本文在改进现有优化方法的基础上提出了传统优 化法，并基于理论推导公式，以泄漏量最小为目标函数提出了理论推导优化法。利用三 种设计方法对实例中的平衡盘按进行设计，通过计算结果的对比分析可知，两种优化方 法都能起到优化作用。 根据螺旋轴流式多相混输泵密封介质的特性和工作环境等条件，对其轴封装置进行 了选型，最终选用了双端面机械密封。从辅助装置的角度对提出的两种方案进行了对比 分析，确定了合理的方案“轴向入径向出”的设计方案。对设计出的多相混输泵 的部分零件进行了强度校核，得知校核零件都满足强度要求。 利用c f d 软件对双端面机械密封的温度场进行了模拟，并分析了密封环温度场的 分布规律和冲洗量对端面温升的影响，确定了合理的冲洗量。 关键词：螺旋轴流式泵，平衡盘装置，间隙泄漏量，优化设计，冲洗量 d e s i g na n ds t u d y o ns u b s e ah e l i c a l - a x i a lm u l t i p h a s ep u m p g u a n y u g 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 i nt h ei n c r e a s i n gs c a r c i t yo fo n s h o r ep e t r o l e u mr e s o u r c e s ，t h ee x p l o i t a t i o no f o f f s h o r eo i l a n dg a sr e s o u r c e s ，w h i c hi sr i c h ，h a sg r a d u a l l yb e c o m et h ef o c u so fw o r l d w i d ea t t e n t i o n b e e , - - a u s eo ft h ea d v e r s eu n d e r w a t e rc i r c u m s t a n c e ，t h ee x p l o i t a t i o no fo f f s h o r eo i la n dg a sr e s o u r c 一 - e sb yu s i n gc o n v e n t i o n a le x p l o i t a t i o nt e c h n o l o g yi sp o o re c o n o m i ce f f e c t b u tt h ee x p l o i t a t i - o nb yu s i n gs u b s e am u t i p h a s ep u m p sc a l lr e d u c et h ew h o l ec o s t s oi ti sn e c e s s a r yt od e s i g n a n ds t u d yo ns u b s e ah e l i c o a x i a lm u l t i p h a s ep u m p s i nt h eo p e r a t i o no fh e l i c o a x i a lm u l t i p h - - a s ep u m p sh a sl o to f p r o b l e m s ，s u c ha st h eb a l a n c eo fa x i a lf o r c ea n dt h eh i g h e rt e m p e r a t u r e i nt h es e a l i n gd e v i c e s ot h i sp a p e ri ss t u d y i n go nt h e s ep r o b l e m s t os o l v et h ep r o b l e mo ft h eb a l a n c eo fa x i a lf o r c ei nt h eh e l i e o - a x i a lm u l t i p h a s ep u m p s ， t h i sp a p e r , w h i c hw a sb a s e do nt h ec o m p a r a t i v ea n a l y s i so ft r a d i t i o n a la x i a lf o r c eb a l a n c ed e - - v i c e ，o p t i m i z e dar e a s o n a b l ea x i a lf o r c eb a l a n c ed e v i c e - t h e b a l a n c ed i s kd e v i c e a n dt h e r ew - - e r es t i l ls o m ep r o b l e m si nt h ef l o wf i e l da n a l y s i sw i t h i nt h et w og a po ft h eb a l a n c ed i s cd e v - 一i c e s ot h ee q u a t i o nn sa n dc o n t i n u i t ye q u a t i o nw e r ea p p l i e dt od e d r i v et h em a t h m a t i c a l e x p r e s s i o na b o u tt h ef l o wf i e l dw i t h i nt h et w og a p t h e nt h et h e o r e t i c a la n a l y s i sw a s v e r i f i e d b yt h ec f dm o d e l i n gr e s u l t ，i tl e a r n e dt h a tt h et h e o r e t i c a la n a l y s i sr e s u l t sw e r ec o n s i s t e n tw i - - t ht h er e s u l t so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n a c c o r d i n gt ot h e 。c a u s eo f t h ee r r o rb e t w e e nt h et h e o r e - - t i c a la n ds i m u l a t e dv a l u e s ，af o r m u l aw i t hac o r r e c t i o nf a c t o rw a sr a i s e d w h e nw ed e s i g n e dt h eb a l a n c ed i s kd e v i c eb y u s i n gt r a d i t o n a ld e s i g nm e t h o d ，w el e a r n d t h a tt h e r ea r es o m ep r o b l e m sa b o u tt h em e t h o d ，s u c ha st h el a r g ec o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y a n dt h en o n - u n i f o r mp a r a m e t e rs e l e c t i o n a n dt h eo p t i m i z a t i o nm e t h o dr a i s e dr e c e n t l ya l s o h a ss o m ep r o b l e m s s ot h i sp a p e rr a i s e dt w oo p t i m i z a t i o nm e t h o d ，o n ei st h et r a d i t o n a lo p t i m - i z a t i o nm e t h o d ，w h i c hi sb a s e do nt h ei m p r o v e m e n to fe x i s t i n go p t i m i z a t i o nm e t h o d ，t h eo t h 一 - o ri st h e o r yo p t i m i z a t i o nm e t h o d ，w h i c hi sb a s eo nt h e o r yf o r m u l a t h e nt h i sp a p e rd e s i g n e d t h eb a l a n c ed i s cd e v i c eb a s e do ng i v e nd a t ab yu s i n gt h et h r e em e t h o d s b a s e do nt h ec o m p a - 一r a t i v ea n a l y s i so ft h er e s u l t s ，w el e a r nt h a tb o t ho ft h e s em e t h o d sd i dw o r k “ a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h ef l u i dp u m p db yt h eh e l i c o - a x i a lm u t i p h a s ep u m p a n dt h ew o r ke n v i r o n m e n t ，t h ep u m p ss e a ld e v i c ew a ss e l e c t e d - t h ed o u b l em e c h a n i c a ls e a l t h i sp a p e rp r o p o s e dt w od e s i g ns c h e m e s ，a n dt h e nt h ec o m p a r a t i v ea n a l y s i so ft h et w od e s i g n s c h e m e sw a st o o kf r o mt h ep o i n to fa s s i s td e v i c e t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h e a x i a le n t r y - r a d i a lo u t s c h e m e sw a sm o r er a t i o n a l f i n a l l ys o m ep a r t so ft h ep u m ph a ds t r e n g t hc 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 e dt h a tt l l e ym e tt h ew o r kr e q u i r e m e n t s t h et e m p e r a t u r ef i e l di nd o u b l em e c h a n i c a ls e a lw a ss i m u l a t e db yu s i n go fc f ds o f l w - 一a r e ，a n dt h e nt h i sp a p e ra n a l y z e dt h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no nt h es e a lr i n g sa n dt h ev a r i - m i o no fi n t e r f a c et e m p e r a t u r er i s ew i t hm e d i u mf l u x f i n a l l yt h eb e s tc o o l i n gf l u s ha m o u n t w a sd e t e r m i n e d k e yw o r d s ：h e l i c o - a x i a lm u l t i p h a s ep u m p ，b a l a n c ed i s cd e v i c e s ，c l e a r a n c el e a k , o p t i m a ld e s i g n ，f l u s h a m o u n t 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 概述 随着全球经济的高速发展，各行业对石油、天然气等资源的需求量逐渐增加，而我 国油气资源的供需缺口则日渐明显。同时，国内陆上油气资源却日益减少，而经权威机 构初步估算，我国海洋领域的油气资源相当丰富，尤其是在南中国海区域。但是，由于 技术装备水平不足等多种因素的影响，目前我国只对南中国海部分的区域进行了开采。 因此，开辟南海油气资源勘探开发领域以寻求新的资源是我国当前油气开发的重点。 由于海底环境比较苛刻，要利用常规开采技术对水下油气资源进行开采，需要投入 大量的基建资金和操作资金，使得经济效益微乎其微。但采用海底多相混输开采技术对 海底石油进行开采时，可以降低油井井口的回压，提高油井的采油率，从而大大降低工 程投资，这就吸引越来越多的科研机构对该项技术展开研究。而这项技术中的关键装置 则是多相混输泵，目前的多相混输泵主要有双螺杆式泵、单螺杆式泵( p c p ) 、活塞式泵、 隔膜式泵等容积式泵和螺旋轴流式泵、多级离心泵等旋转动力式泵。根据国内外水下生 产系统现场安装应用情况表明，螺旋轴流式多相混输泵和双螺杆多相混输泵的性能较为 优越。螺旋轴流式多相混输泵的工作原理是气液等多相混合物在流经随轴高速旋转的叶 轮时获得动能，再在流经导轮时将多相混合物的动能转换为压能；多相混合物中的气相 在导轮叶片的剪切作用下产生破碎，从而在一定程度上调整了下级叶轮入口处多相混合 物的流动状态，这样保证了下一级压缩单元的正常工作；同时，螺旋轴流式多相混输泵 中的叶轮和导轮迫使多相混合物沿轴向运动，有效地阻止了多相混合物在流道内的相态 分离。同时，根据查阅的相关资料可知，螺旋轴流式多相混输泵具有如下独特的结构及 性能特点：考虑到多相混合物的可压缩性，叶轮采用锥形轮毂；为减少增压单元内多相 混合物的相态分离，叶、导轮采用较长的方形通道和较大的流道曲率半径；采用开式结 构，能够适应多相混输泵入口处的段塞流，也提高了多相混输泵的容砂能力；多相混输 泵在大中流量、中高增压能力下更能显出其结构紧凑、重量轻等优点，这对大流量和近 海应用特别有吸引力；在低吸入压力或高含气率( 9 4 9 6 ) 条件下能正常工作，短时 间内可以在1 0 0 含气率的工况下工作而不会出现机械故障。而双螺杆多相混输泵是通 过容积腔室的周期性变化，来实现液体的增压和输送。将螺旋轴流式多相混输泵和双螺 杆多相混输泵相比可知，采用螺旋轴流式多相混输泵具有以下优点：结构简单，体积小、 第一章绪论 重量轻；由于采用开式结构，对固相杂质的适应性较好；适应范围广，可用于大中流量， 中低扬程的场合而且适应的油气比范围大。因此，本课题对水下螺旋轴流式多相混输泵 进行设计研究l 。 螺旋轴流式多相混输泵在开采高含气原油时有着其它常规采油机械无可比拟的优 势，但螺旋轴流式多相混输泵的设计不像单相泵和压缩机有一套成熟的设计方法，其设 计时具有一定的盲目性，而水下螺旋轴流式多相混输泵更是如此。目前，国内对螺旋轴 流式混输泵的增压单元做了一定的研究，但关于其密封、轴向力平衡等研究的相关文章 还较少，对这些方面的设计研究将会对螺旋轴流式混输泵的研制开发起到推动作用。 1 2 国内外研究现状及存在的问题 1 2 1 国内外研究现状 1 、国外研究现状 螺旋轴流式多相混输泵的研究始于1 9 8 4 年的“海神计划 ，这一计划是由法国道达 尔、法国研究总院和挪威国家石油公司三方合作投资完成的。第一台p 3 0 0 螺旋轴流式 多相混输泵于1 9 8 7 年开始设计，并于一年后完成了全部制造工作，并分别于1 9 8 8 年和 1 9 9 0 年分别进行了环道试验和现场试验，其试验结果令人满意。1 9 9 2 年，螺旋轴流式 泵的研制者将其水力设计转让给法国的s u l z e r 和挪威的f r a m o 公司，至此核心为 螺旋轴流式多相混输泵的多相混输技术在理论研究和工业应用中都有了很大的发展。 1 9 9 4 年，螺旋轴流式多相混输泵在挪威g u l l f a k sa 平台和法国道达尔石油公司p e c o r a d e 油田的安装使用，标志着螺旋轴流式多相混输泵正式进入工业化阶段 7 1 。 目前，水下螺旋轴流式多相混输泵已在国内外海上油田现场得以应用，而且运行良 好。部分相关工程介绍如下【2 4 】【8 】： ( 1 ) s m u b s ( s h e l lm u l t i p h a s eu n d e r w a t e rb o o s t e rs t a t i o n ) 工程 1 9 9 4 年，s m u b s 工程中的核心装置是由s h e l li n t e r n a t i o n a l 和n o r s k e 提供技术、经 济资助，并由f r a m o 公司制造的海底增压泵，该增压泵安装在d r a u g e n 地区水深2 7 0 米 处，这代表着世界第一台商业化水下多相增压泵的成功安装。该工程的作用是将油井产 出物增压输送至9 k m 处的平台上。在据平台6 k m 处安装了一个注水模块，并将水下螺 旋轴流式多相混输泵集成在该模块上。水下多相增压泵的驱动方式采用的是液力驱动， 驱动液是注水模块中水。在使用s m u b s 生产系统期间，油井产量约增加了5 0 0 0 桶日， 平均每天的利润增加了9 0 0 0 美元。由于受油田条件的限制，该生产系统只运行了几个 2 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 月。但从该泵运行期问所获得的经验，将为以后水下多相混输泵的研究提供方向。 ( 2 ) m u t i n e e r e x e t e r 油田 m u t i n e e r e x e t e r 油田位于澳大利亚卡拉沙附近的海域，水深为1 4 0 1 6 0 m 。该油田是 由s a n t o sl t d 和澳大利亚的一个石油公司合作进行开采的，于2 0 0 5 年3 月开始投产。 第一阶段的计划是在m u t i n e e r 油田开采三口井，在e x e t e r 油田开采一口井。 m u t i n e e r 油田的油井聚集在一个中心管汇附近，这些油井的产出物经中心管汇汇集 后输送至多相泵模块，再由多相泵泵送至f p s o 上；e x e t e r 油田的流程与m u t i n e e r 油田 的完全相同。这两个增压泵模块都重达9 0 t ( u st o n ) ，尺寸是7 x 5 x 7 m 。e x e t e r 油田的 回接距离约为6 9 k m ，而m u t i n e e r 油田的回接距离为3 1 k m 。2 0 0 6 年该系统的生产能力 大约为5 0 0 0 0 桶天。 ( 3 ) t o p a c i o 油田 t o p a c i o 油田位于赤道几内亚附近海域的水深5 5 0 米处，并于1 9 9 6 年开始生产，而 水下螺旋轴流式多相混输泵是在1 9 9 9 年的再开发阶段安装的。该系统中的多相混输泵 机组体积紧凑、容易拆卸并回收，非常符合“h o s t 概念中的模块化和紧凑化设计。 其电力系统的配置和泵的安装方式与l f 2 2 1 油田生产系统的相似。整个系统有平台系 统、变压器、变频器、液压装置和控制系统。该水下系统中有两个多相增压泵模块，这 使得水下模块中还应含有两个变压器装置和两个长达8 5 k m 的脐带。 ( 4 ) c e i b a 油田 在2 0 0 2 年，f r a m o 公司在c e i b a 油田安装了两个多相泵站。该多相泵模块主要由电 机和螺旋轴流式泵组成。螺旋轴流式泵的作用是将油井产出物中的气相和液相混合均 匀，以减少段塞流。多相泵站安装在水深7 5 0 m 处，。到水面生产设备的最大的回接距离 高达6 9 k m 。两个多相泵增压站的处理能力可达6 0 0 0 桶天。自2 0 0 6 年起，f r a m o 公司 又安装了三个多相泵站，水深高达9 0 0 m ，回接距离达9 k m 。这三个多相泵站的处理能 力为1 6 0 0 0 桶天。这些多相泵站的运作性能良好，使油田产量保持较高水平。 2 、国内研究现状【9 】 目前，国内还没有螺旋轴流式多相混输泵引进和现场应用的报道，而国外在该项技 术领域对我国还处于技术封锁中。因此，“九五 期间，中国石油天然气集团公司首先 对多相混相输送技术进行立项，开展研究工作，并已进入试验阶段。中国石油大学自1 9 9 6 年以来一直对螺旋轴流式多相混输泵进行研究，并从结构设计及混输机理、性能预测、 试验研究三方面入手开展工作，并完成了地面和井下螺旋轴流式泵两种样机的设计及性 3 第一章绪论 能试验研究。经过多年的理论和试验研究，中国石油大学在扬程估算、叶片选型、内部 流动规律及性能预测模型的建立等方面取得了阶段性的研究成果。 但总体来说，国内在该领域的研究与国外相关技术相比，还有较大的差距，而且目 前还没有螺旋轴流式多相混输泵应用于油田现场。国内学者对水下螺旋轴流式多相混输 泵的设计研究更是寥寥无几。 1 2 2 存在的问题 目前，螺旋轴流式多相混输泵的设计方法和基础理论研究还存在着很多缺陷，而且 在螺旋轴流式多相混输泵的样机试验研究和现场应用过程中出现了很多问题，主要包括 以下几点： ( 1 ) 增压单元的设计方法不完善 设计螺旋轴流式多相混输泵的关键就是增压单元结构参数的确定，主要包括：叶片 的选型、叶轮的轴向长度、叶片的进、出口安装角、轮缘直径、轮毂的进口轮毂比、扬 程系数、导叶的进、出口安装角等。但国内对增压单元的设计方法还不够成熟，其设计 尚具有一定的盲目性，需要进一步的完善。 ( 2 ) 轴向力难以平衡 在“浅水区井下油气混抽装置技术研究”项目的样机试验研究过程中发现，样机的 使用寿命较短，经分析得知样机的失效主要是由轴承等的损坏引起的：并根据国外资料 得知p e t r o z u a t a 项目中多相混输泵因轴承损坏引起的失效占总失效模式的1 4 左右【1 1 。在 分析轴承损坏原因的过程中，发现其主要是由轴向力造成的，而通过对螺旋轴流式多相 混输泵的轴向力产生机理分析可知，该泵产生的轴向力比离心泵产生的大得多：螺旋轴 流式多相混输泵单级增压单元产生的轴向力达1 6 0 2 4 0 n ，而单级离心泵的产生的轴向力 仅有2 0 - 4 0 n 。因此，有必要对螺旋轴流式多相混输泵的轴向力平衡装置进行研究。针对。 这种情况，学者提出利用平衡孔法、浮动叶轮法等方法来平衡螺旋轴流式多相混输泵产 生的轴向力。平衡孔法的轴向力平衡能力有限，还会增大流体的泄漏量，这就降低泵的 容积效率，而且还破坏了叶轮入口处流体的流动状态。浮动叶轮法则会使相互接触的叶、 导轮间产生摩擦，增大机械损失，致使泵的机械效率大大下降；螺旋轴流式多相混输泵 的轴向力很大，需用耐磨性较好的硬质合金摩擦环，这大大增加了泵的制造成本。因此， 有必要采用平衡盘对泵的轴向力进行平衡，但人们对平衡盘两间隙内流体的流场分布规 律认识不清楚，致使平衡盘的设计过程中具有一定的盲目性；用常规设计方法对平衡盘 4 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 设计时，其计算量较大，且一些系数的选取具有随机性，难以设计出泄漏量最小的平衡 盘装置。 ( 3 ) 热力学研究不完善 螺旋轴流式多相混输泵的叶轮都具有入口大、出口小的轮毂结构，具有压缩机和泵 的双重作用。在多相混输泵运行过程中，增压单元对多相混合物具有一定的压缩作用， 其气体成分必然会被压缩，根据气体状态方程，气体受到压缩会产生一定的热量，这些 热量则必然会影响到气液混合流场。此外，螺旋轴流式多相混输泵内部还有其他热源， 包括轴承摩擦产热、叶、导轮间摩擦环的摩擦产热、传动部件连接处的产热等。泵内的 这些热源通过热传导、热辐射和对流传热使泵内流体的温度升高，进而影响了泵内多相 混合物的流动状态。因此，有必要对多热源下的泵内流场进行研究。 ( 4 ) 密封装置的研究不足 螺旋轴流式多相混输泵输送的介质是多相混合物，其轴封相当困难，而且还要满足 在高速及变速工况下、甚至出现段塞流工况时的密封。同时，由于多相混输泵的增压能 力和转速较高，密封装置产热也较高，需要对密封装置的温度场进行研究。 1 3 主要研究内容和拟解决的关键问题 根据上述分析，水下螺旋轴流式多相混输泵的研究还存在很多问题，但不可能一下 解决所有问题，本文只以部分问题作为研究对象进行研究。 1 、具体研究内容 ( 1 ) 平衡盘装置间隙的流场分析 基于流体力学等基础理论，对平衡盘装置两间隙内的流场进行理论分析，得出两间 隙泄漏量关于结构参数的表达式；对间隙内的流场进行数值模拟，验证理论的正确性。 ( 2 ) 平衡盘装置的优化设计 基于传统设计法和理论推导法中压差、泄漏量的表达式，以平衡盘装置间隙泄漏量 最小为目标函数，建立了平衡盘结构参数优化方法；利用传统设计法和两种优化方法对 算例中的平衡盘装置进行设计，通过结果的对比分析，验证优化方法的可行性。 ( 3 ) 水下螺旋轴流式多相混输泵的结构设计 多相混输泵的整体结构设计，包括增压单元、轴向力平衡装置、密封装置等的设计； 主要零部件的校核计算。 ( 4 ) 密封装置的温度场分析 s 第一章绪论 基于c f d 软件对密封装置的温度场进行模拟，分析密封环的温度场分布；并分析 冲洗量对端面温升的影响，确定合理的冲洗量。 2 、拟解决的关键问题 ( 1 ) 平衡盘装置两间隙内流场的理论分析及模拟验证； ( 2 ) 平衡盘装置的优化设计方法； ( 3 ) 水下螺旋轴流式多相混输泵的结构设计。 1 4 研究方法和技术路线 ( 1 ) 理论分析 根据连续性方程和n s 方程等基础理论，研究平衡盘装置两间隙内压力和速度分布 规律，分析出间隙的泄漏量与结构参数的关系，为平衡盘装置的设计提供理论基础。 ( 2 ) 数值模拟 利用数值模拟软件对平衡盘两间隙内的流场进行分析，得出间隙内压力、轴向流速、 径向流速和周向流速的分布规律，从而验证理论的正确性；利用数值模拟软件对密封装 置的温度场进行分析，得出密封环上温度的分布规律，并通过数值模拟分析，确定合理 的冲洗量。 ( 3 ) 结构设计 根据离心泵和井下螺旋轴流式混抽泵的结构，对水下螺旋轴流式多相混输泵的整体 结构进行设计；根据地面泵用平衡盘装置和密封装置对水下多相混输泵用平衡盘装置和 密封装置进行设计。 1 5 研究成果 ( 1 ) 理论分析出了平衡盘装置两间隙内流场分布，并用数值模拟的方法验证其正 确性； ( 2 ) 建立了两种平衡盘装置优化设计方法，并通过实例验证优化方法的可行性； ( 3 ) 完成了水下螺旋轴流式多相混输泵的整体结构设计，并对主要部件进行了强 度校核； ( 4 ) 完成了密封装置的温度场分析，并选取了合理的冲洗量。 6 中国石油火学( 华东) 硕士学位论文 第二章平衡盘装置间隙的流场分析 目前，平衡盘装置的设计计算都是以现有半经验公式和通过实验得到的经验数据为 基础开展的，对平衡盘两间隙内流场分布规律缺乏清楚的认识。因此，国内一些学者对 平衡盘装置问隙内流场进行过一定的理论研究，但仍存在一些问题：大多数理论分析都 在将环形径向间隙近似认为平行平板的基础上进行的，也有在只考虑压差流或轴旋转时 对环形径向间隙的理论分析，但在同时考虑压差流和轴旋转的情况下对环形间隙内流场 进行的理论分析较少；而在仿真研究时，大多数文献只研究间隙内流场变化规律，对理 论值与模拟值的对比分析研究较少。 2 1 平衡盘装置的简介 从相关资料可知，轴向力平衡问题一直是泵研究领域的重要课题之一，国内外很多 学者都对此做了大量的研究工作，提出了各种各样的轴向力平衡方法。目前，泵上最常 用的平衡轴向力的方法有平衡鼓法、平衡盘法、背叶片法、止推轴承法、平衡孔或平衡 管法和叶轮对称布置法，这些方法虽然结构简单，但是在泵的运行过程中都能起到重大 作用。 2 1 1 传统平衡装置的优选 l 、传统平衡装置的简介 平衡孔法是指在增压单元中叶轮的轮毂上设置几个小孔，使叶轮的入口侧腔室和出 口侧腔室相连通，以降低前后两侧腔室的压差，从而减小叶轮上所受的轴向力；平衡管 法的工作原理与平衡孔法相类似，两者主要区别就是平衡管是通过外设管道将两侧腔室 相连通的。推力轴承法是指在泵的入口和出口两侧布置一套或多套推力轴承，通过轴承 来承受泵产生的轴向力。叶轮对称布置法是指在采用两侧吸中间出或中间吸两侧出的结 构时，在两个入口出口段布置相同数目的增压单元，依靠两侧增压单元产生的方向相 反、大小相等的轴向力的相互抵消，来实现轴向力平衡。背叶片法是指在叶轮后侧布置 一个吸入方向相反的背叶片，依靠背叶片的旋转作用，降低叶轮后侧腔室的压力，从而 减小泵产生的轴向力。平衡鼓法是指在末级叶轮后侧安装一个圆柱形的平衡鼓，使末级 叶轮后侧腔室分成两个小腔室，腔室间仅通过平衡鼓与轴或轴套之间的微小间隙连通， 同时利用外设管线将平衡鼓后侧腔室与入口相连通，使后腔室形成低压区，此结构正是 第二章平衡盘装置间隙的流场分析 依靠由平衡鼓两侧压差产生的与轴向力方向相反的平衡力来对轴向力进行平衡的。平衡 盘法的简介见2 1 2 。 2 、平衡装置的优选 平衡孔法或平衡管法在叶轮上增设了几个小孔或外设管线，增加了内部流道的复杂 程度，其结构较简单；只能平衡部分轴向力，而且会造成一定的容积损失，降低泵的容 积效率，并在一定程度上降低了泵的抗汽蚀能力；适用于扬程不大且尺寸要求较小的单 级泵场合。 推力轴承法仅在泵内增设了一套或多套推力轴承对泵的结构影响不大，其结构最简 单；不会造成的容积损失和水力损失，经济实用；但这种方法一般仅可单独用在轴向力 较小的场合或与其它平衡方法结合使用。 叶轮对称布置法将相同数目的增压单元对称布置于泵壳内的两侧，在一定程度上增 加内部流动的复杂程度，而且在相同的增压情况下会增加增压单元的数目；理论上可以 完全平衡轴向力，且不会增加泵的容积损失；仅适用于类似螺旋轴流式多相混输泵的多 级泵场合。 背叶片法在叶轮后侧安装一个半开式叶片，其结构相对简单；只能平衡部分轴向力， 而且降低了泵的总效率，但有效减小液体的泄漏，并避免外界杂质进入，对轴封起到保 护作用；多用于单级泵场合，不适用于多级泵场合。 平衡鼓法仅增设了一个圆柱状的平衡鼓，其结构相对简单；只能平衡部分轴向力， 而且会造成一定的容积损失；适用范围广，多用于类似螺旋轴流式多相混输泵的多级泵 场合，通常与平衡盘法或推力轴承法联合使用。 平衡盘法增设了一个平衡盘和一个平衡板，结构较复杂；可完全平衡轴向力，但会 造成一定的容积损失，而且平衡盘和平衡板容易磨损；适用范围广，多用于类似螺旋轴 流式多相混输泵的多级泵场合。 可知这几种传统的轴向力平衡方法各有优缺点，在结构、适用范围和轴向力平衡效 果上有一定的差异。通过从结构、优缺点、适用范围和轴向力平衡效果等方面的分析对 比，得出平衡盘装置具有一些优点：适用范围广，可用于类似于水下螺旋轴流式多相泵 的多级泵；平衡效果最好且可适用变工况。因此，本文中选用平衡盘装置来平衡水下螺 旋轴流式多相混输泵产生的轴向力【l o - 1 1 1 。 中国石油人学( 华东) 硕士学位论文 2 1 2 平衡盘装置的简介 平衡盘装置一般装在末级导轮之后，并随泵轴一起旋转。平衡盘装置中有两个间隙： 一个是轴套外圆与端盖间形成的径向间隙，另一个是平衡盘与平衡板间形成的轴向间 隙，平衡盘后侧腔室与泵的入口相连通。平衡盘正是依靠两个间隙内流体泄漏产生压差 工作的。同时，由于工况的变化等原因，会使轴向力发生变化，从而促使平衡盘发生移 动已达到新的平衡。但平衡盘的轴向移动不能过大，否则会造成平衡盘的磨损，使泵产 生振动。因此，要产生相同的平衡力变化，其轴向间隙变化越小越好。 图2 - 1 平衡盘装置示意图 f i 9 2 - 1 b a l a n c ed i s cd e v i c ed i a g r a m 平衡盘装置的工作原理：当轴向力大于平衡盘上产生的平衡力时，平衡盘向入口侧 移动，轴向间隙减小，使得间隙内流体的阻力系数增大，即两个间隙内流体的总阻力系 数增大；但平衡盘装置的总压降不变，使得泄漏量减少，进而使径向间隙的压差减小、 轴向压差增大，即平衡力增大；随着平衡盘不断向入口侧移动，平衡力不断增加，到某 一位置时达到平衡，即轴向力和平衡力相等。当轴向力小于平衡盘上产生的平衡力时， 平衡盘远离入口侧，轴向间隙增大，使得间隙内流体的阻力系数减小，即两个间隙内流 体的总阻力系数减小；但平衡盘装置的总压降不变，使得泄漏量增加，进而使径向间隙 的压差增大、轴向压差减小，即平衡力减小；随着平衡盘不断远离入口侧，平衡力不断 减小，到某一位置时达到平衡，即轴向力和平衡力相掣1 0 】。 2 2 径向间隙的流场分析 2 2 1 径向间隙内流场的理论分析 由于螺旋轴流式多相泵输送的介质具有一定的粘度，同时平衡盘装置的径向间隙很 9 第二章平衡盘装置问隙的流场分析 小( 一般为2 5 i = 0 2 - 0 3 r a m ) ，而轴向长度又较长，本文在分析径向间隙内的介质流动 时认为其属于层流范围。在层流范围内有两种运动：间隙两端压差引起的压差流和轴旋 转引起的剪切流【1 5 - 1 6 1 。 图2 - 2 径向同隙的柱坐标系 f i 9 2 - 2c y l i n d r i c a lc o o r d i n a t es y s t e mo fr a d i a lc l e a r a n c e 径向间隙内介质流动可以利用n s 方程求得，本文做出以下假设【1 7 】： ( 1 ) 介质为粘性不可压缩流体； ( 2 ) 流动为定常流动，即昙：0 ； ( 3 ) u r = 0 ，且掣= 0 ； “) 流动为轴对称，即品= 0 由柱坐标系下的连续方程式： 挈+ 一1 _ c 3 ( 拟_ r r ) + 一1 0 ( p u o ) + 塑：o a tr甜r 8 9a z 、 可得：婴：0 ，即： c z = ( ，) ( 2 1 ) 在上述假设的特殊条件下，可得： ，轴：重：土望 r po r 舭咖( 争弓等一等 舭。一一净u ( 鲁弓刳 由式( 2 2 ) 积分，可得： ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 中国石油人学( 华东) 硕上学位论文 得： p = 洋办+ 巾，z )o ， 又由于且流动为轴拣即嘉- 0 ，贝| j = 掣= 。 可见厂( z ) 仅是z 的函数，同时誓= 。，则鲁= 厂( z ) 也仅是z 的函数。由式( 2 4 ) ， 古老= ；昙( ，等) 一l = 一一i ，三f hd zro r o rj ( 2 5 ) 式( 2 - 5 ) 左边仅是z 的函数，右边仅是r 的函数，只有均等于常数才能相等，即 l a z 为常数。 对于( 2 3 ) 式，方程的通解为： ：c , r + 鱼 ， 当，= 时，u 0 = ：o r h ；当，= ，j i + ，= o ；代入上式可得： 一禹南，+( + ) 2 一彳， ( 2 6 ) 设平衡盘装置的径向间隙长度为如，径向间隙进口处的压力见，出口处压力为p 4 ， 并令锄= 易- 1 ：, 4 ，可得： 由上式进行积分，可得： 生：一堑 沈 k p ：孕z + g 舻亏外- 当z = o 时，p = 马；z = 厶时，p = p 4 ；代入上式可得径向间隙内介质的压力分布 规律为： p 瓮啪3 将式( 2 5 ) 进行两次积分后可得： ( 2 7 ) 第二章平衡盘装置问隙的流场分析 旷一羲 讪h c 2 当，- = 时，也= 0 ；当厂= 屹+ 时，“：= 0 ：代入上式可得： ”瓦揣青岛蛔( 1 n r - l n r h ) 一羲- r 1 吲协8 ，。砸鬲声调吲j - 瓦【一j 屹嗡 取圆环微元面积d s = 2 x r d r ，则径向间隙内介质的流量为： q i x = r 2 吣d r 将上式积分可得到径向间隙内介质流量的表达式： 驴去陋订卅p 2 时壤一糕 协9 ， 2 2 2 径向间隙内流场的数值模拟分析 2 2 2 1 模型的建立及求解 1 、模型的建立 将径向间隙内流体作为研究对象，建立模型如图2 - 3 所示，具体结构参数汇总如表 2 1 。由于径向间隙太小，直接划分会使径向只能产生一层网格，因此采用分区划分法 对模型进行划分，最终划分网格总数为4 1 0 0 0 0 个。 表2 - 1 径向间隙的结构参数 t a b l e 2 - 1s t r u c t u r a lp a r a m e t e r so fr a d i a lc l e a r a n c e 图2 - 3 径向间隙的模型 f i 9 2 - 3 m o d e lo fr a d i a lc l e a r a n c e 2 、边界条件 选取间隙内流体为水，液体的密度为9 9 8 2 k g m 3 ，水的动力粘度为i o x1 0 。3 p a s 。 1 2 中国石油人学( 华东) 硕十学位论文 径向间隙的边界条件汇总如表2 2 ： 表2 - 2 径向间隙的边界条件 t a b l e 2 - 2 b o u n d a r yc o n d i t i o n so fr a d i a lc l e a r a n c e 其他相关设置采用默认时，在层流状态下对模型进行求解，求解约7 5 步后收敛， 收敛过程的残差图如图2 - 4 。 图2 - 4 残差图 f i 9 2 - 4c o n s t r i n g e n e yr e s i d u a lf i g u r e 2 2 2 2 流场分析 1 、压力分布规律 图2 5 中( a ) 、( b ) 分别表示x = 0 截面处和z = o 0 2 5 m 截面处压力分布图。由图可 知，径向间隙内的液体压力随轴向尺寸的增加逐渐降低，但液体的压力沿径向和周向基 本不变，这与理论推导中液体压力的变化规律相符。 由图中的模拟值曲线可知，间隙内液体压力沿轴向尺寸的变化并不是呈单纯的直线 形，而是近似呈曲线，这是由于液体在起始端受到局部阻力造成的。同时，将模拟值与 理论值相比可知，理论值与模拟值之间存在一定的偏差，但理论值与模拟值最大相差为 0 8 6 ，可知理论计算的结果比较准确。 第二章平衡盘装置问隙的流场分析 ( a ) 5 翔0 6 l ， ( b ) ( c ) 图2 - 5 径向间隙内压力分布规律 f i 9 2 - 5 d i s t r i b u t i o no fs t a t i ep r e s s u r ei nr a d i a lc l e a r a n c e 2 、速度分布规律 。 ( a ) 2 1 3 0 - 0 3 - 13 c o - e 2 ( b ) 图2 6 径向间隙内径向流速分布规律 f i 9 2 - 6 d i s t r i b u t i o no fr a d i a lv e l o c i t yi nr a d i a lc l e a r a n c e 图2 - 6 中( a ) 、( b ) 分别表示z = 0 0 2 5 m 截面处和x - - 0 截面处径向流速分布图。由 避嚣淼徽麓嚣纛鋈ll 黑一溢曩 n川圈豳豳同 嚣篙=麓篆嚣ll嚣蒜 黑戳鍪瑟- 中国石油大学( 华东) 硕：l 学位论文 图可以看出：径向间隙的径向流速很小，几乎为0 ，说明“，= o 的假设成立。 s 6 2 * 0 0 ( a ) 7e 3 e v c e s 知 32 舶 ( b ) ( c ) ( d ) 图2 7 径向间隙内轴向流速分布规律 f i 9 2 - 7 d i s t r i b u t i o no fa x i a lv e l o c i t yi nr a d i a lc l e a r a n c e h崩簟网幽阂图 第二章平衡盘装置间隙的流场分析 图2 7 中( a ) 、( b ) 分别表示z = o 0 2 5 m 截面处和x = o 截面处轴向流速分布图。由 图可以看出：径向间隙内液体的轴向流速沿周向基本不变；轴向流速沿径向先增后减， 在中间段基本不变，且在间隙中间达到最大值，轴向流速沿径向