CN103742444B - 一种多相混输泵叶轮的多工况设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多相混输泵叶轮的多工况设计方法。将叶轮的几何参数与泵的多个工况的性能要求联系到一起，通过对叶片几何参数的调节而设计出一种能在多个工况下正常工作的多相混输泵，本设计方法可以满足多相混输泵的工作性能曲线与实际要求的性能曲线一致，尤其适用于泵在多个工况下正常运行的情况；同时通过控制泵的转速、比转速等参数，使多相混输泵在多相流工况下的多个工况时也能保持较高的效率。

Description

一种多相混输泵叶轮的多工况设计方法

技术领域

本发明涉及流体机械，特别涉及一种多相混输泵叶轮的设计方法。

背景技术

多相混输泵在油田开采中运用的最为广泛，目前,国内使用较多的是螺杆混输泵,主要是用来降低井口回压及提高产液量。但是螺杆混输泵的固相杂质的裕量一般较小,并且受泵几何尺寸的限制,其排量也较小,所以螺杆混输泵不便于大排量的油气多相输送。而叶片混输泵结构简单,排量大,可靠性较强,对固相杂质的适应性较好,可以满足大排量油气多相输送的需要。很多时候，多相混输泵要求泵工作的高效区较广，即要求泵不同的流量时都能满足相应的扬程需要，且效率较高。同时当泵在油气等多相下工作时，由于气体或者固体的存在，液相和气相或者固体间存在速度滑移，并且会使泵的扬程、流量有有一定程度的下降，随着含气量或含固量的升高，这种现象会越来越明显，进而使泵输送效率降低，影响泵的性能。为了在一定程度上解决这一问题，本发明提出了一种针对多相混输泵叶轮的多工况设计方法。

发明内容

本发明提供了一种多相混输泵叶轮的多工况设计方法。使泵既能满足在多相流工况下的多个工况的工作要求，又能使泵在多相工况下具有较高的效率。利用以下几个关系式来确定叶轮的主要几何参数，本发明通过对叶轮的几何参数进行调节，而达到性能要求曲线尽可能的与泵设计曲线相接近的目的，同时使泵在多相工况下具有较高的效率，通过控制叶轮几个重要设计参数的设计方法，来实现多相混输泵在多相时的多工况和高效率要求。

实现上述目的所采用的技术方案是:

(1)在设计核主泵叶轮时，根据泵对最优工况点的流量Q_BEP、最优效率工况点的扬程H_BEP、叶轮转速n、最优效率工况点的比转数n_sBEP、多工况点的数量为m个，i为其中任意一个工况，第i个工况点流量Q_i、第i个工况点H_i的要求扬程来设计计算叶轮的几何参数，采用速度系数法设计核主泵叶轮，并得到Q-H性能曲线的表达式及核主泵叶轮的几何参数，然后利用Q-H性能曲线的表达式可以计算各要求工况点与该性能曲线的扬程差△H_i，最后重新建立△H_i与几何参数之间的关系，得到各个工况点性能与核主泵叶轮几何参数之间的关系，将泵叶轮的几何参数与不同工况点的性能参数联系到一起，使泵的实际运行性能曲线与所要求性能曲线一致，其方法是叶轮的主要几何参数与不同工况点的性能参数满足以下关系等式：

ΔH＝max(ΔH₁，ΔH₂，…，ΔH_i，…，ΔH_m)

ΔH_i＝H_i-H_i′

式中：Q_BEP——最优效率工况点流量，立方米/秒；

H_BEP——最优效率工况点扬程，米；

n_sBEP——比转数；

D_2BEP——按速度系数法设计的最优效率工况点叶轮外径，米；

Q_i——第i工况点的流量，立方米/秒；

H_i'——传统设计法的第i工况点的扬程，米；

n——叶轮转速，转/分；

ΔH_i——第i工况点的要求扬程与传统设计扬程的差值，米；

H_i——第i工况点的要求扬程，米；

D₂——叶轮叶片外圆直径，米；

b₂——叶轮叶片出口宽度，米；

β₂——叶轮叶片出口安放角，度。

(2)提高泵的转数

提高泵的转数可以使固相和气相的介质得到压头补偿,但过高的增压又将增大泵内两相分离的可能性。因此叶轮转速n控制在1750r/min～3000r/min范围以内,同时辅以变频器实现对不同转数的需要。

(3)比转数的选择

比转数n_s越小,泵送相同物性和排量的介质所增加的压头就越高,但是气液两相或者固液两相分离现象将越严重。比转数ns也不宜过高,否则将达不到泵送混合物的目的,并且有可能降低泵轴的刚性,增大泵的磨损几率。因此应该合理地选择泵的比转数n_s。参考优秀模型泵的比转数，在其基础上进行一定范围了降低，比转数n_s在190～255之间选择。

根据多个工况点的性能要求，将叶轮叶片出口安放角β₂在19°～31°之间调整，当曲线下降趋势较快时β₂取小值，当曲线缓慢变化时β₂取大值。叶片包角一般取90°～105°，经优化实验，叶片数取5片最佳。

本发明的有益效果是：本设计方法设计的叶轮在多相流工况时具有优秀的水力性能，能够使泵在输送多相流工况时保持较高的效率，同时还能满足泵在多相流工况工作时的多个工况工作要求。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明一个实施例的叶轮的轴面投影图。

图2是同一个实施例的叶轮叶片图。

图中：1.叶轮前盖板，2.叶轮进口直径，3.叶轮出口直径，4.叶轮后盖板，5.叶轮出口宽度，,6.叶片，7.轮毂。

具体实施方式

图1和图2共同确定了实施例的叶轮形状。它主要由叶轮前盖板(1)、叶轮后盖板(4)、叶片(6)和轮毂(7)等组成，叶片数为3，本发明通过以下几个关系式调节叶轮出口直径D₂(3)和叶轮出口宽度b₂(5)，使这个实施例的离心泵性能满足我们最优效率工况工况的流量Q_BEP、最优效率工况的扬程H_BEP、第i工况点的流量Q_i、第i工况点的扬程H_i、叶轮设计转速n的要求。

ΔH＝max(ΔH1_，ΔH₂，…，ΔH_i，…，ΔH_n)

ΔH_i＝H_i-H_i′

式中：Q_BEP——最优效率工况点流量，立方米/秒；

H_BEP——最优效率工况点扬程，米；

n_sBEP——比转数；

D_2BEP——按速度系数法设计的最优效率工况点叶轮外径，米；

Q_i——第i工况点的流量，立方米/秒；

H_i'——传统设计法的第i工况点的扬程，米；

n——叶轮设计转速，转/分；

ΔH_i——第i工况点的要求扬程与传统设计扬程的差值，米；

D₂——叶轮叶片外圆直径，米；

b₂——叶轮叶片出口宽度，米；

β₂——叶轮叶片出口安放角，度。

根据多个工况点的性能要求，及满足多相工况时高效的要求，将叶片出口角β₂在19°～31°之间调整，当曲线下降趋势较快时β₂取小值，当曲线缓慢变化时β₂取大值。叶片包角一般取90°～105°，设计转速n控制在1750r/min～3000r/min范围以内，比转数n_s在190～255之间选择。

以上，为本发明专利参照一个实施例做出的具体说明，但是本发明并不限于上述实施例，也包含本发明构思范围内的其他实施例或变形例。

Claims (1)

1.一种多相混输泵叶轮的多工况设计方法，其特征在于，根据泵的最优效率工况点的流量Q_BEP、最优效率工况点的扬程H_BEP、叶轮转速n、最优效率工况点的比转数n_sBEP、多工况点的数量为m个，i为其中任意一个工况，第i个工况点流量Q_i、第i个工况点的要求扬程H_i来设计计算叶轮的几何参数，通过控制参数的范围，使泵能够在多相流工况的多个工况时仍具有较高的效率，把叶轮的几何参数与不同工况点的性能参数联系在一起，叶轮几何参数与泵的多个工况点满足以下关系：

ΔH＝max(ΔH₁,ΔH₂,…,ΔH_i,…,ΔH_m)

ΔH_i＝H_i-H_i'

式中：Q_BEP——最优效率工况点的流量，立方米/秒；

H_BEP——最优效率工况点扬程，米；

n_sBEP——最优效率工况点的比转数；

D_2BEP——最优效率工况点时按速度系数法设计的叶轮外径，米；

Q_i——第i工况点的流量，立方米/秒；

H_i'——现有设计法的第i工况点的扬程，米；

n——叶轮转速，转/分；

ΔH_i——第i工况点的要求扬程与现有设计扬程的差值，米；

H_i——第i工况点的要求扬程，米；

D₂——叶轮叶片外圆直径，米；

b₂——叶轮叶片出口宽度，米；

β₂——叶轮叶片出口安放角，度；

所述叶轮转速n控制在1750r/min-3000r/min范围以内；最优效率工况点的比转数n_sBEP在190～255之间选择；

叶轮叶片出口安放角β₂在19°-31°之间调整；叶片包角一般取90°～105°；叶片数取5片。