多相螺杆泵的理论和实验分析中文.pdf

对于多螺杆泵处理具有非常高气体体积分数的气液混合物的理论和实验分析。摘要对多相螺杆泵在处理具有非常高气体体积分数的气液混合物的泵送行为的调查，进行理论和实验分析。一个新的计算螺杆泵几个腔室内与时间有关的条件和各个腔室之间物质和能量交换的新型螺杆泵模型正在开发。通过对装置特别是气体体积分数在90至99之间的装置实验分析对螺杆泵模型进行了验证。在进行了用基准流体的水和空气进行的实验中，可主要分为一方面稳态泵送行为的判定，另一方面选定瞬态运行条件的分析，而泄漏的可视化流经圆周间隙四舍五入的实验分析。关键词螺杆泵；泄漏流；多相流；间隙流；气体体积1简介近年来，在多相泵机组的需求，特别是在石油化工行业稳步增长的情况下。几个以前的调查17已经表明，螺杆泵呈现一种能够满足对泵陆上和海上性能要求和可靠性的一种很有前途的方法。尽管如此，仍然需要一种在体体积分数高达近100这种极端条件下能够满足安全仿真需求的工具。因为对多相螺杆泵处理气体体积分数非常高的气液混合物泵送行为的调查做了进一步的理论和实验分析。主要开发了一种计算所有有趣流动变量和周围的旋转主轴的热力学条件的新的多相螺杆泵模型。随后对已经开发的模型的实验研究，对不同的瞬态工况的分析，以及有关内部圆周缝隙流模式的理论整合验证了他们的意图。2理论螺杆泵模型对多相螺杆泵的仿真程序8,9是基于一系列由相互啮合的主轴和周围衬垫或壳形成的如图1所示的流体包围室中的瞬态模型。由于反向旋转的主轴的移动，各腔室几乎连续地从低压到螺杆泵的高压侧传输，而内部的腔室的流体被压缩累积由出现泄漏流动。图1双流动螺杆泵的剖面图如图2所示为不同种类的腔室连接间隙。由于最大份额的泄漏流经周间隙（CGS）和径向间隙（时隙RG），第一种方法中的侧面间隙（FGS）可忽略不计。图2不同种类的间隙的内部螺旋泵腔室可以被视为如图3所示的由几个间隙连接存储的质量和能量，通过它的泄漏流动和在腔室以及泵的吸入和排出时发生的物质和能量的交换。图3室连接的双线程双螺杆泵三腔的方案虽然该模型基本上类似于WINCEK1和克尔纳2的模型，然而这种相似性仅仅局限在腔室的处理和不同腔室连接间隙的装置上。然而，也有许多其他新的进展，这些进展都与间隙的建模后面的物理有关。例如在腔室和缝隙内的热效应的介绍包括对抽水行为尤其是在泵的两相混合物具有很高的气体体积分数有巨大影响的临界流条件下的泄漏流动的可压缩性的介绍；以及使对流换热系数的测定和当地的缺口截面由于主轴的热膨胀将包含所做的更改的间隙的造型更加细节化。忽略该室本身的动能和势能，遵循在开放系统热力学瞬态过程的第一定律和其计算新的内部流体的能量或相应的室流入后外流的温度，能量守恒方程可以定义为（1）这个守恒方程可以应用于内根据一个方法，该方法中详细RBIGER等人解释的腔室的两个阶段。8和9。在每次模拟运行的开始，若干输入参数已被定义，如差压，气体体积分数，转速，气体和液体的粘度，以及另外的辅助参数，它们限定了泵的几何形状和数值求解方法。入口压力和温度以及出口压力都是固定的边界条件，而出口温度从最后一个封闭室和最终回压缩的温度的最后室的开口期间确定。泵送气水混合物的气体体积分数然而由周期性地打开和关闭第一腔室的初始条件给出。在这种方式中，轴向移动腔室具有一定的气体体积分数，其可以仅由或缩小所考虑的腔室的泄漏流之后改变。为了计算通过所述互连间隙可压缩和粘性两相流，一套守恒方程的解决了用于与一个自由选择的空间离散化在流动方向上的各间隙质量守恒（2）动量守恒（3）能量守恒（4）在接下来的步骤，这三个常微分方程被重新安排了方便，同时计算成以下形式的矩阵与向量方程10（5）与系数矩阵A（6）原始变量的矢量X与矢量B的右手侧的，其描述了对粘性流的外影响（7）（8）通过缝隙与粗糙表面的摩擦系数为层流或紊流被定义（9）而均匀的密度和粘度11和12给出作为局部气体体积分数或两相混合物的质量分数的函数（10）（11）也用于内部的间隙局部雷诺数测定这些均相流体性质和正在播放的泄漏流率的计算中起重要作用。此后常微分方程的系统通过为原始流量变量压力，速度和温度沿相应间隙的长度轴四阶龙格库塔方案解决。在腔室寿命时间，这等于在吸入侧上的两个腔室的周期性地层之间的时间中的所有腔室和流出泄漏流，被细分为若干子迭代，以确保内部的所有的热力学条件的平滑变化室。此外，一些外迭代必须完成的，它模拟来自泵吸入到排出腔室中的轴向运动，直到所有的临时腔变量收敛时间。关于泄漏的气体体积分数流经圆周间隙，泵的入口气体体积分数和气体的内部这些间隙渗透之间的经验相关性成立。的相关性定义了所有的间隙内的液体单相流高达75的泵入口气体体积分数。除此之外，一个渐进二阶增加气体渗透，从0开始，直到最终单相气体泄漏流将在100的泵入口气体体积分数达到。由于该间隙离散或沿路径通过该间隙流的分辨率，如混合物的密度，间隙高度，摩擦系数，以及在或出自上述间隙的输送热的所有参数是可以改变的，并适于关于间隙和边界条件内的局部条件。通过这种方式，流解算器可以很容易地连接到另外的子模型，计算对流热传递及周边固体组分如心轴，在图中4所示的内部的热传导。和衬套或外壳。图4扇区与内部温度的定性分布，与低压吸力在左侧和高压放右侧卷轴各个间隙作为升温的结果的几何形状变化和主轴下面的热膨胀泵模拟运行之后，特性曲线可以由泵在本压差的净流量的计算来生成。此处的净流量等于泵的理论流量减去所有体积泄漏流量的总和，集成在一个单一的腔室寿命时间，通过所有的间隙进入共同泵吸入。两相混合物的压力和温度，以及进一步的变量的轴向分布，如果需要的话，可以很容易地通过内部腔室的热力学条件和它们的相对轴向位置的装置产3实验装置试验装置，在图中所示。5，为实验泵分析主要由螺杆泵由电动机，相分离或集水箱驱动的，两个半闭环的两相混合物的输送液体馏分和的液体重新冷却罐内容以及开环空气作为气体馏分。该气体是从加压空气网络，与液体相混合，只是在泵的吸入前，比得上普通进气歧管的燃料喷射，通过螺旋泵输送和由主节流阀释放回大气中减压后。图5实验装置除了全局运行参数，如吸入和排出压力的测量，流体的流入和流出的温度以及两相的体积流速等等的入口气体体积分数，实验装置允许的进一步调查沿螺杆包6微型压力传感器的压力分布，安装在泵壳体内。温度分布沿螺杆包由5微型热电偶，集成了旋转主轴内，通过遥测系统的手段。流模式和相位分布内主轴腹板和壳体孔之间的圆周间隙，借助于一平凹观察窗，由光学玻璃制成的。使得向这些实验结果和其他必要的螺杆泵测试可能的话，下面的两个表1和表2中示出了调查螺杆泵的几何参数，以及所述微型压力的轴向位置和温度传感器相之间的比较在泵的吸入侧开始螺杆包。表1被调查的螺杆泵几何参数描述符号值外螺杆直径D100MM内螺杆直径D70MM螺丝包长度LSCREW120MM螺距HSCREW50MM线程号N2腔号NOC2或3在皮质颗粒高度SCG170M表2微型压力和温度传感器的相对于开始时的轴向位置螺丝包两个传感类型的轴向位置（毫米）序号123456压力123252792112温度2954791041164实验结果实验分析处理的稳态操作行为与发达螺杆泵模型的结果的比较，调查，在选定的测试例的情况下，以及在多相泄漏瞬态操作行为泵内流动。41稳态运行的行为对于稳态操作行为，主要的净流量以及压力和温度分布的分析测定了不同的压力差，气体体积分数和旋转速度，最后相对于仿真结果。下面图。6，图7，图8，图图9和图10顷示出在2900RPM的旋转速度和不同的参数设置的泵行为。正方形表示所测量的数据点，而是由螺杆泵模拟器生成的实线。图。图6中，实线进一步被扩展到更高的压力差，以显示在一个更好的方法理论结果的趋势。图6在不同GVFS实验数据点和2900RPM的转速相比计算泵的特性曲线图7在不同GVFS实验数据点和2900RPM的转速相比计算压力分布图8温度分布在40巴的压差和2900RPM的旋转速度的GVF的90，进行比较图9温度分布在40巴的压差和2900RPM的旋转速度的GVF94，比较图10温度分布在40巴的压差和2900RPM的旋转速度的GVF98，比较42短暂的操作行为螺旋泵内的准稳态压力分布只能由微型压力传感器，已检测到局部变化的压力在外壳的孔中沿螺杆包等距离轴向距离的表面的瞬态信号的评估来确定。图11和图12期间的5腔的变化在90和98，在40巴和2900RPM的转速恒定的压差的气体体积分数表示六个压力传感器的信号。而压力传感器1号和6号正在演示的吸入和排出压力，所有其它传感器信号示出的总压力积聚本地分数。每个周期可以通过从泄漏流入考虑腔的初始压力增加和随后的压力降低，始发和所得流体压缩以及通过以下主轴幅的同一个降压到连续的压力水平进行说明室。图11微型压力传感器中的90的GVF和2900RPM的转速瞬态信号图12微型压力传感器中的98的GVF和2900RPM的转速瞬态信号不同的气体体积分数的压力信号之间的主要区别是沿主轴的长度的压力分布，其也示于图中的变化。7在90的气体体积分数，第一腔室具有的压力建立一个非常小的贡献，而最大压缩的最后室内部发生。在98的较高的气体体积分数然而，也将第一和第二腔室分别呈现出明显的压力增加，从而使一个近似线性的压力分布出现。以及在第一室中的压力增加搭配减小混合物的密度和粘度的增加气体体积分数为负责该螺杆泵的净流量从第一腔室后面的增加泄漏流的结果的崩溃到吸入侧。下面图13和图14表示在相温度在泵的吸入侧和排出侧的压力差的连续增加的时间依赖性影响。所述泵输送的气液混合物与96在2900RPM的转速的气体体积分数，而主扼流阀90秒后关闭，直到该压力差达到10巴的值。此后，阀被再次打开，排出压力下降到原来的水平。图13节流阀封闭在96的GVF和2900RPM的转速在瞬态压力差图14节流阀封闭在96的GVF和2900RPM的转速在瞬态温度信号在差动压力的增加，气体流速为作为也在增加泄漏流率的原因强烈减少。温度传感器位于排放管的最低位置（L，出）测得的相当大的温度上升。这是相对于其他的温度传感器，将其设在一个缩进正好在泵壳体下方（G，出），并表现出很小的温度升高。排放管的特点是一个U形虹吸管，因为放电凸缘的位置位于所述泵壳体的下方和管道必须连接到与主扼流阀的泵。将其定位在相同的高度，该泵壳的。尽管排放管内两温度传感器的准确定位，它不能假定先验，该传感器被测量的所有时间气态或液相的唯一的温度。因为所选择的传感器的位置和一个重力引起的相分离，但是，测定两相的混合物的温度的期间被保持尽可能短。其原因涉及液相较高温度增加可通过以下事实液相的特点是更强烈的内部，自然循环等的热释放不足发生不同的气相进行说明。考虑一个理想的泵送过程中，其中两个相输送和压缩只有一次，气相会清楚地显示了较高的温度上升。两个传感器，其测量流入的气体和液体相的温度，压力差的增加期间注册没有温度变化。仅节流阀的打开期间，该传感器用于在所述混合部的前方的配管内的气体流入温度测定的简短而明确的温度峰。由注入的液体和温度传感器作为两相的密集回旋的原因的头部之间的临时接触，由于气体流量的快速增加，这只能进行说明。这两个图15和图16本最后一个长持续气态废料，从而进入所述泵通过液体注入的一段大约45秒的停机的装置的模拟。在只有10巴和2900RPM的转速的压差达到一气体液体混合物与98的气体体积分数的稳定状态搬送后，液体注入阀被关闭突然。气体流速关于此提高了近于泵的理论流量，而全球气体体积分数相应地增加至100。图15液体注入的在98的初始GVF一个关闭和2900RPM的转速在瞬态全球GVF图16液体注入的在98的初始GVF一个关闭和2900RPM的转速在瞬态主轴的温度作为缺席前连续地注入液体相的原因，密封能力已丢失非常快，这是导致先于一个抛物线减少，其次在一个消失压差。在第一阶段，平均主轴温度增加最初只是大约05由于液体喷射的快速关断。但在第二阶段，其中，所述压差达到几乎零电平，主轴温度急剧升高，直到该喷射阀被再次打开，以防止可能损坏泵由于干运行状态或装载严重的热膨胀的主轴。43间隙流的可视化用于流体组合物的检测和通过周向间隙的两相泄漏流的流型，压力和温度的耐观察窗被集成到泵壳体。矩形窗，将其制成非反射光学玻璃，有在视线的平面凹形状，而曲率恰好到壳体孔的半径进行调节。通过这种方式，它可以被固定，即在圆周间隙保持其恒定的或一致的高度和形状。可视化本身，由高速数字相机的特写镜头和两个强大冷光源与柔性光纤来实现，如图17所示主要目标是90和98的渗漏行为之间不同的入口气体体积分数的影响的在40巴和2900RPM的恒定的旋转速度，例如以恒定压差的分析。图17实验装置的高速成像对于所提到的泵操作参数，图18，图19，图20和图21所示为两相泄漏流经沿螺杆包和内部的腔室，在这种情况下，从左边向右移动流体条件的所有圆周间隙。具体观察画面以及相应的高速视频，这是进行以每秒5000帧的速度将导致以下定性描述的内周间隙以及内部腔室中的流动进行了表征两个阶段，这很好地混合，随机分布的。在所有周向间隙，这是连接不同压力水平的两个腔室，所述流体组合物和所述流型分别表示没有大的变化，在主轴的轴线方向。另外，在每个闭合，因而实际腔室，一个类似的流动条件可以发现。内部腔室中的流动条件，主要影响是由于泄漏流代替主轴旋转（这可以在最后腔室到泵的排出，当强烈混合停止，单个液滴和液滴聚集成为可见的开口中可以观察到）。用于增加气体体积分数，压力积聚从放电侧（左）至吸入侧（右），这是等于第一腔室内部的压力增加或抛物线压力分布的变化成线性运动之一，并在附近的泵吸入增加回流。图18泄漏流动的皮质颗粒内2900转，90和40巴图19泄漏流动的皮质颗粒内2900RPM，94和40巴图20泄漏流动的皮质颗粒内2900RPM，96和40巴。图21泄漏流动的皮质颗粒内2900转，98和40巴。5结论一个新的理论螺杆泵模型来计算体积和热力泵特性的最有趣的变量，以及当地分布和融合的历史，特别是在非常高的气体体积分数。期间增加了气体体积分数为90到99时，稳定状态的泵送行为变化明显。抛物线压力轮廓回头成几乎线性轮廓，这也是存在于纯粹的液体的情况下，与所述第一腔室内部的不可忽略的越来越大的压力值。泄漏流被如此增加，泵的净体积流量已开始分解。在非常高的气体体积分数，该两相混合物的灭液体相是不能够吸收压缩热量。这一事实的结果是显着增加的温度上升沿螺杆包，而全球温度传感器检测高得多的温度的升高。这样做的原因是流体，它首先被泵送其次流回通过泄漏通道的一部分。此流体被如此循环泵内，将被加热强得多，相比温度上升沿螺杆包。如瞬态泵分析的情况下，差动压力和入口气体体积分数的瞬时变化对螺杆泵的全局和局部热行为有直接影响。而第一例在泵运行无严重的影响，除了减少体积流量，其次介绍了主轴危险的热负荷，同时在一个消失的压差的情况下在一个纯粹的气体流体泵。通过圆周间隙泄漏流动的可视化，给出了流体组成的非常重要的定性信息以及两相流流型。经现实条件下进行的分析结果显示的是里面所有的连接不同压力等级的两腔室接近随机的高气体体积分数，但充分混合泄漏流圆周差距。更进一步，在间隙的流体成分的定量研究以获得在泵的吸入和圆周间隙内的气体体积分数之间的关系的准确信息将是可取的。到目前为止，这种关系只能通过由模拟和实验得到的曲线拟合方法对特性曲线和压力分布来获得。参考文献1MWINCEK,ZURBERECHNUNGDESFRDERVERHALTENSVONSCHRAUBENSPINDELPUMPENBEIDERFRDERUNGVONFLSSIGKEITS/GASGEMISCHEN,PHDTHESIS,UNIVERSITYOFERLANGENNUREMBERG,19922HKRNER,ZUMFRDERVERHALTENVONSCHRAUBENSPINDELPUMPENFRZWEIPHASENGEMISCHEHOHENGASGEHALTS,PHDTHESIS,UNIVERSITYOFERLANGENNUREMBERG,19983KEGASHIRA,SSHODA,TTOCHIKAWA,AFURUKAWA,BACKFLOWINTWINSCREWTYPEMULTIPHASEPUMP,SPEPRODUCTIONFACILITIES,1998,PP64694CFENG,PYUEYUAN,XZIWEN,SPENGCHENG,THERMODYNAMICPERFORMANCESIMULATIONOFATWINSCREWMULTIPHASEPUMP,PROCEEDINGSOFTHEINSTITUTIONOFMECHANICALENGINEERSPARTE21520011571635AJPRANG,PCOOPER,ENHANCEDMULTIPHASEFLOWPREDICTIONSINTWINSCREWPUMPS,IN21STINTERNATIONALPUMPUSERSSYMPOSIUM,BALTIMORE,MD,USA,2004,PP69766CYNAKASHIMA,SOLIVEIRAJR,EFCAETANO,THERMOHYDRAULICMODELOFATWINSCREWMULTIPHASEPUMP,INMECHANICALENGINEERINGCONGRESSANDEXPOSITION,ANAHEIM,CALIFORNIA,USA,2004,PP2512607TRAUSCH,TVAUTH,JUBRANDT,DMEWES,AMODELFORTHEDELIVERINGCHARACTERISTICOFMULTIPHASEPUMPS,IN4THNORTHAMERICANCONFONMULTIPHASETE