全金属单螺杆泵外特性的数值模拟及试验研究.pdf

2 0 1 4年第 4 2卷第4期 石 油机械 CHI NA PE TROL EUM MACHI NERY 一77 一 油气 田开发 工程 全金属 单螺杆泵外特性 的数值模 拟及试验研 究 姜 东 石 白妮 李增亮 ( 1 中国石油大学 ( 华东)机电工程学院2 中国石油长庆油田分公司 术 郭海滨 3 中石化胜利 油田分公 司采 油工艺研 究院) 摘要 ：应用 F lu e n t 软件，选用三维瞬态湍流 动网格模型对双头全金属单螺杆泵做 了外特性的 数值模拟分析，得到轴功率 、流量 以及泵效随增压值 的仿真变化 曲线。对该泵外特性做 了试验研 究，给出了试验外特性 曲线，对比分析 了全金属单螺杆泵与常规橡胶衬套单螺杆泵的外特性。分 析结果表明，基于 F lu e n t 的数值模拟方法能够准确模 拟该泵实际外特性；随着增压值 的增大，流 量近似线性减小，轴功率近似线性增大，泵效先增大后减小，存在最优S - 作 区间；介质黏度对泵 的流量特性影响显著，相比常规螺杆泵，不存在硬特性。 关键词 ：全金属螺杆泵；轴功率；流量；泵效；外特性；F lu e n t ；数值模拟 中图分类号：T E 9 3 3 文献标识码 ：A d o i：1 0 3 9 6 9 j is s n 1 0 0 1 4 5 7 8 2 0 1 4 0 4 0 1 8 Nu m e r ica l S imula t io n a nd Ex pe r im e nt a l S t u dy o f t he Ex t e r na l Ch a r a ct e r is t ic s o f All- me t a l Sin g le s c r e w Pu m p J i a n g D o n g S h i B a in i。L i Z e n g lia n g G u o Ha ib in ( 1 C o ll e g e o f Me ch a n i ca l a n d E le ct r o n ic E n g in e e r i n g ，C h i n a U n i v e r s i t y of P e t r o le u m，Q i n g d a o 2 C h in a P e t r o ch i n a ch a n g q in g 0 e l d co m p a n y 3 R e s e a r ch I n s t it u t e ofP r o d u ct i o n T e ch n o l o g y ， S I NO P E C S h e n g li O i e l d C o m p a n y ) Abs t r a ct ： Ap p ly i n g t h e Flu e n t s o f t wa r e，t h e t h r e e d ime n s io n a l t r a ns ie n t t ur b u le n ce fl o w me s h mo d e l wa s s e le ct e d t o co n d u ct a n u me r ica l s imu la t i o n a n a ly s is o f t h e e x t e r n a l ch a r a ct e r is t ics o f d o ub l e e n de d a ll me t a l s in g le s e r e w p u mp Th e s imul a t io n v a r ia t io n cu r v e o f s h a f t p o we r，f lo wr a t e a n d p ump e ffi cie ncy wit h t h e p r e s s u r e b o o s t wa s 0 b t a in e d An e x pe r i me n t a l s t ud y o f t h e p ump s e x t e r n a l ch a r a ct e r is t ics wa s ca r ri e d o u t Th e cu r v e o f t he e x t e r na l ch a r a ct e r is t i cs wa s g iv e n b y t h e e x p e r ime n t A co mpa r a t iv e a n a ly s is o f t h e e x t e r n a l ch a r a ct e ri s t ics o f t h e p u mp a n d co nv e n t io n a l r u b be r b us h i ng s in g le s cr e w p u mp wa s co n d uct e d Th e a n a ly s is s h o ws t ha t t h e Fl ue n t b a s e d n u me r ica l s imu 1 a t i0 n me t h o d ca n Dr e cis e ly s imu la t e t h e p r a ct ica l e x t e rn a l ch a r a ct e ri s t i cs o f t h e p u mp W i t h t h e in cr e a s e o f b o o s t p r e s s ur et he flo wr a t e is a p p r o x ima t e t o lin e a r r e d u ct io n；t h e s h a ft po we r is a p p r o x ima t e t o lin e a r in cr e a s e； t h e D u mp e f f icie n cy in cr e a s e s f i r s t a n d t h e n d e cr e a s e s ；t h e r e e x is t s t h e o p t ima l wo r k in g r a n g e T h e me d iu m v i s co s it y ha s co n s id e r a b le e f f e ct o n t h e fl o wr a t e ch a r a ct e r is t ic o f t h e p u mp Co mp a r e d wit h co n v e n t io n a l p u mp，n o ha r d ch a r a ct e r is t ic e x i s t s wit h t h e p ump Ke y wo r ds： a l1 me t a l s in g le s cr e w p u mp； s h a ft p o we r ； fl o wr a t e； p u mp e ffi cie n cy； e x t e r na l ch a r a ct e r is t ic ； F lue n t ： n u me r i ca l s imu la t io n O 口 对于 S A G D、C S S和 S F D井 ，通过注入蒸汽来 降低油液粘度 ，增强流动性 ，这类油井环境温度往 往高于 1 5 0 。在采油工业中，杆式泵虽能够适 应热采环境，但其应用受到 自身泵送能力 的限制 ， 电潜泵对于低黏度油液仍有很好 的容积效率 ，但是 受到工作温度的限制，因此寻找可靠的人工举升泵 送系统是一大挑占 戈 。但是传统螺杆泵定子内表面 基金项 目：中国石化股份公 司科技攻关项 目 “ 全金属螺杆泵研 究与应用 ” ( P 1 2 1 3 3 ) 。 石 油机械 2 0 1 4年第 4 2卷第 4期 硫化 橡胶衬食， r 作温度不能超过 1 6 0 o C_ = 。个 金属螺朴 大除 r 橡胶衬套 ，金属定子和金属转子 的螺旋 I Ill 接卡 lf ， 啮合 ，推送 油液。往 外，伞 金属螺杆泵技术 油 田开展了现场试验应川 螺朴 的外特性在选井选泵 、T况分析 、故障 诊断 、性能 价以及使用管理等方 面都有非常重要 的 J t l 琶并采川流体仿真软件方法 ，预测和分析 全金属螺朴 外特性 ，这方面的研究 日前尚术 于 f 乏 道 I卅l f 、f ，笔 并埘全金属螺杆泵进 行 r试验研究 ， 对仿 外特 、试验外特性以及常规橡胶螺杆泵外 特性进行 r对比分析。 1 3 1 8 9 5 l，单元数为 7 l9 9 1 9 。 1 2控制 方程 F lu e n t 将汁算域离散化为一 系列控 制体积 ，对 这些控制体积求斛质量 、动量和能量 等守恒方程。 在计算中将控制 氍对控制体积求积分，将偏微分 方程组化为离散化的代数方 组 ，因此也产生 l r 同的离散格式 ，然后求解代数 程组得到流场解 自然界中很多流动均属湍流 ，数学上强烈的廿线性 和 物 理 上 近 无 穷 多 的 度 是 湍 流 的 核 心 特 征 一 。湍流模型有很多类型 ，采用 R e a liz a b le， ( 一 模型对旋转 、分离和M流等现象均有较好的计算结 果 I l 泵流体模型简化及仿真理论基础 2 全金属螺杆泵外特性的数值模拟 1 1 模 型 的简化 采川 幅1 人 】 线等距 型曲线建 线 数 比 2 ： 3 ， 定 导 4 2 0 n ln ，偏心距 4 9 I n m，定子外径 9 0 n ll n ，定转 f 合 h J 隙为 0 4 i n l n的全金 属螺杆泵 的装配体模型 泵内流体模型，如图 l 所示 。 图 I 全金 属 螺 杆 泵 三 维 单 级 装 配 体 模 型 Fig 1 3- 1 )s in g le s t a g e a s s e mb ly in o ( t e l ) f a ll me t a l s in g le s cr e w p u mp F lu e n t 流体仿 基于有 限体积法，网格划分尤 为火键 分析令 金属螺杆泵可知 ，流体模型外表面 为导 4 2 0 i n n 1的螺旋 曲面 ，内表 面 为导 程 2 8 0 l ll I n的螺旋f f I 1 【 f ，I 大 】 、外表面最小间隙为 0 4 mm， 转子与定子质心偏心距为 4 9 m m，模 型曲面 的复 杂性使得初始网十 各 划分数量巨大 ，网格质量很难保 时 仿真汁算 中伴随着流域动边界的行星运 动 ，质 差 数j l 大的网格难以完成动网格重划 I 作 ，夫 1 此简化模型十分必要 。法 罔T程师莫万诺 捉 ， 螺杆泵各级增压成线性分布 ，并在T程实 际 I 1 导 钊 r验 ，据此将该泵模型简化为一个定子 导 K度。 一个定子 导程长度的网格仍然难 以一次 性划分完成 ，为 f 得到更好的网格质量 ，利 + J G M 软件将流体模 型冻结一 切割为 2 0等分 ，在 Me s h i n g 软件 r f 1 每等分使 J 不同的网格拓扑划分网格 ，等分 面的边 类 没置为 I n t e r f a ce ，进入 F lu e n t 后再将 对应 耦合 ，这样每等分的计算信息就可以通过耦 合面传递 给下 一等分。该案例 网格模型节点数 为 分析泵 人 】 流域的实际运动形态 ，流域形状随时 间变化 ，流域边 随时问运动。 任 F lu e n t 计算巾选 取不定常模型 ，n J 实现 ( R e a liz a b le )湍流模型 以及动网格 ( 1 ) v l a n lie Me s h )模型 ，选择流体介质 为 f u e l o i l liq u id ，加载编写好 的 C G宏 函数来定义 动边界的运动 不I 亩 =】 的研究1 况对泵的外特性影响较大，以转 子转速 2 0 0 r n , i n ，动力黏度 0 5 P a S 的油液干 纯 水 的泵外特性 f f 线 为例 ，入 _ I 边界条件 为速度入 口，H 【 _ _l为 白 I 流，大 l为只彳 一个 出 口，所以 O u t flo w边界流量权值设置 为 1 。壁面边界条件设置 为无滑移边界条件 。压力速度耦合算法选川收敛较 快 的 S i mp le算法 ，离散 格式 均选二 阶迎 风格式 ， 收敛精度设置 为 J 0一，迭 代求 解控制方程 至收 敛。 2为收敛后泵内流域的 力云图。 5 7 6c 一 【 ) l 3 3 f k lll 2 0 7 c 一【 ) I 8 3 3 一 【 】 2 3 9 9c 一0 一 l 6 3c 一0 2 8 6c 一_ 】 一 4 I Oc 一0 5 3 3c 一【 】 化 ：MP a 图 2 泵 内流 域 的 压 力云 图 Fig 2 Pr e s s nr n e p h o g r a n 1 o f t lr ain a g e a r e a in t h e lmmp 监测流量 、增 值和转矩等计算结果 ，可进一 步计算得到各增 值下的轴功率和泵效 ，计算式分 别为 ： N = ? ( 1 ) ： A p Q , 1 0 0 ( 2 ) L z 式中 ， 为轴功率 ，r厂为转矩 ，7 7 为总效率 ， 2 0 1 4年 第 4 2卷 第 4期 姜 东等 ：全金属单螺杆泵外特性 的数值模拟及试 验研 究 一 7 9一 为增压值 ，t O为运动边 界转速 ，Q 为该转速下 的 体积流量。 图 3 、图 4和 图 5分别为通 过仿真得 到 的流 量 、轴功率 、泵效与增压值之间的关系曲线。 雷 暴 图 3流 量一 增压值仿 真曲线 Fig 3 Flo wr a t e b o o s t p r e s s u r e s imu la t io n C H I V e 图4轴功率一 增压值仿真 曲线 Fig 4 Sh a f t p o we r b o o s t p r e s s u r e s imula t io n cur ve 4 5 5 0 ： ： ； 图 5 泵 效 一 增 压 值 仿 真 曲 线 Fig 5 Pu mp e ffi cie n cy bo o s t pr e s s ur e s imu la t io n cu r v e 该工况下 ，该泵流量随增压值的增大呈线性减 小趋势 ，油液流量下 降幅度很小 ，基本保持 不变， 纯水流量随着增压值的增大剧烈下降，可见黏度是 影响流量 的重要因素 ；轴功率随增压值的增大而线 性增大 ，黏度大的油液摩擦扭矩大 ，造成轴功率的 增大 ；油液和纯水 的泵效 随增压值先增大后减小 ， 但油 液 的 高效 区 比纯水 宽 很 多 ，高效 区泵 效在 4 0 以上 ，对应流量 4 0 7 0 I n d 。 3 全金属螺杆泵外特性的试验研究 对同结构全金属螺杆泵输送油液和纯水时分别 在转速 2 0 0 、2 5 0和 3 0 0 r mi n工况下进行 了试验研 究 ，对试验数据进行 了整合分析 ，给出了该泵的试 验外特性 曲线 ，如图 6 、图7和图 8所示 。 图 6流量一 增压值试验曲线 Fig 6 Flo wr a t e b o o s t p r e s s u r e e x pe r ime n t cu r v e 图 7轴功率一 增压值试验 曲线 Fig 7 S ha f t p o we r b o o s t p r e s s u r e e x p e r ime n t cur v e 图 8泵 效 一 增 压 值 试 验 曲 线 Fig 8 Pu mp e ffi cie n cy b o o s t p r e s s u r e e x pe r ime n t cu r v e 图 6中，全金属螺杆泵 的流量随着增压值的增 长呈线性 降低 ，提高转速可以改善流量特性 ，同时 发现输送纯水 比输送黏度较高的油液时 ，流量变化 剧烈 ，黏度高可以减少泄漏 ，改善容积效率。图 7 中泵 的轴 功率随着增压值 的增长 而近似呈线性增 大 ，黏度和转速对轴功率均有影响。图 8中对于高 黏度 的油液 ，随着增压值的增大，泵效先增大 ，然 后基本保持不变 ，高效 区范围大，而对于低黏度的 纯水 ，泵 的高效区明显减小 ，这证明了全金属螺杆 泵对输送高黏度油液具有显著优势 。 流场模型虽只有一个定子导程长度 ，但结果显 石 油机械 2 O l4年第 4 2卷第 4期 示仿真数据 已经能够定性地反映出泵实际工作时的 特性曲线。这为该种泵前期设计研究以及优选提供 了技术支持。 4 全金属螺杆泵与橡胶衬套螺杆泵外 特性的对比分析 图 9为常规橡胶衬套螺杆泵的一般工作特性 曲 线 。容积效率 7 在增压值 p较小时，橡胶的密封 性能 良好 ，漏失很小 ，容积效率 曲线基本不变 ，出 现硬特性 ，表现为容积泵特性 ；随着增压值升高 ， 液体漏失也随之增加 ，增压值升高到一定值时，橡 胶产生较大的变形 ，橡胶衬套被击穿 ，液体开始出 现漏失 。若增压值继续升高 ，衬套变形越大 ，漏失 量急剧增加 ，容积效率曲线出现软特性 ，泵表现为 离心泵特性 。对 比全金属螺杆泵