CN109359415B - 一种具有宽幅特性的潜油泵叶轮设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了已知最大流量Q_max、1/2Q_max处设计扬程H_1/2、1/4Q_max处设计扬程H_1/4、3/4Q_max处设计扬程H_3/4和额定转速n参数，调整叶轮的几何参数，叶轮出口直径D₂，叶轮进口直径D_s，叶轮出口宽度b₂，第一组叶片进口边L₁，第二组叶片进口边L₃，第一组叶片出口边L₂，第一组叶片进口安放角β₁₁，第一组叶片出口安放角β₂₁，第一组叶片包角φ₁，第二组叶片进口安放角β₁₂，第二组叶片出口安放角β₂₂，第二组叶片包角φ₂，两组叶片之间的圆周相对角度θ。本发明可以使潜油电泵适应多变的油井产能，保证潜油电泵的长期安全稳定运行。

Description

一种具有宽幅特性的潜油泵叶轮设计方法

技术领域

本发明涉及潜油泵领域，特别涉及一种具有宽幅特性的潜油泵叶轮设计方法。

背景技术

在我国海上油田，85％的机采油井依靠潜油电泵抽取原油，其产量贡献达到90％以上。目前，由于油田油藏地质不确定、定向井、增产措施(如因供液能力巨大变化采取的换大泵提液、供液不足环空补液生产)等原因，导致大部分油井的实际产能无法在产前准确预测。而常规电泵机组推荐的流量-扬程曲线覆盖范围较窄，潜油电泵往往不能在其高效区内运行(即运行流量工况位于额定流量点的70％～125％之间)。传统的潜油电泵在使用过程中，由于缺少必要的设计方法，长期偏离高效区，常常出现使用寿命极短的现象。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种具有宽幅特性的潜油泵叶轮设计方法，可以使潜油电泵适应多变的油井产能，保证潜油电泵的长期安全稳定运行。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种具有宽幅特性的潜油泵叶轮设计方法，已知最大流量Q_max、1/2Q_max处设计扬程H_1/2、1/4Q_max处设计扬程H_1/4、3/4Q_max处设计扬程H_3/4和额定转速n参数，由下面公式计算叶轮进口直径D_s：

其中：Q_max为最大流量，m³/h；

n为额定转速，r/min；

d_h为轮毂直径，m；

k_s-潜油泵叶轮进口尺寸系数，取值范围k_s＝4.0～4.5；

D_s为叶轮进口直径，m。

进一步，叶轮出口直径D₂的设计公式：

其中：H_1/2为1/2Q_max处设计扬程，m；

n为额定转速，r/min；

ψ为D₂修正系数，取值范围ψ＝1.1～1.17exp(-0.008n_s)；

n_s为比转速，

g为重力加速度，m/s²；

D₂为叶轮出口直径，m。

进一步，叶轮出口宽度b₂的设计公式：

其中：k_b为b₂修正系数，取值范围

当n_s的范围为100～150时，k_b取较小值；当n_s偏离该范围时，k_b取较大值；

b₂为叶轮出口宽度，m。

进一步，第一组叶片进口安放角β₁₁和第一组叶片出口安放角β₂₁的设计公式：

其中：k_β为进口安放角修正系数，取值范围k_β＝10°～20°；且n_s越大，k_β的取值越小；

r_inlet1为第一组叶片进口边上任意一点至旋转轴的垂直距离，m；

Q_max为最大流量，m³/h；

D_s为叶轮进口直径，m；

d_h为轮毂直径，m；

r_out1为第一组叶片出口边上任意一点至旋转轴的垂直距离，m；

r_outlet1-hub为后盖板与第一组叶片出口边交点至旋转轴的垂直距离，m；

r_{outlet1-shroud}为前盖板与第一组叶片出口边交点至旋转轴的垂直距离，m；

β₁₁为第一组叶片进口安放角，度；

β₂₁为第一组叶片出口安放角，度。

进一步，所述第一组叶片包角φ₁、第一组叶片进口边L₁位置和第一组叶片出口边L₂位置确定方法如下：

所述第一组叶片包角φ₁：φ₁＝30～60°，且n_s越大，则φ₁越小；

所述第一组叶片进口边L₁位置：以叶轮进口为基准，第一组叶片进口边L₁与流道轴面投影中心线L的交点位P₁于流道轴面投影中心线L的20％～35％之间；

所述第一组叶片出口边L₂位置：以叶轮进口为基准，第一组叶片出口边L₂与流道轴面投影中心线L的交点P₂位于流道轴面投影中心线的60％～70％之间。

进一步，第二组叶片进口安放角β₁₂和第二组叶片出口安放角β₂₂的设计公式：

β₁₂＝β₂₁+(15～30)

其中：r_outlet2-第二组叶片出口边上任意一点至旋转轴的垂直距离，m；

r_outlet2-hub-后盖板与第二组叶片出口边交点至旋转轴的垂直距离，m；

r_{outlet2-shroud}-前盖板与第二组叶片出口边交点至旋转轴的垂直距离，m；

H_1/2为1/2Q_max处设计扬程，m；

H_3/4为3/4Q_max处设计扬程，m；

β₁₂为第二组叶片进口安放角，度；

β₂₂为第二组叶片出口安放角，度。

进一步，所述第二组叶片包角φ₂、第二组叶片进口边L₃位置和第二组叶片出口边L₄位置确定方法如下：

所述第二组叶片包角φ₂：φ₂＝10～30°，且n_s越大，则φ₂越小；

所述第二组叶片进口边L₃位置：以叶轮进口为基准，第二组叶片进口边L₃位置位于第一组叶片出口边L₂前端，与流道轴面投影中心线L的交点P₃位于流道轴面投影中心线的55％～65％之间；

所述第二组叶片出口边L₄位置：第二组叶片出口边L₄位置与叶轮流道出口相同。

进一步，所述第一组叶片与第二组叶片之间相邻叶片的圆周夹角θ为5～15°，且n_s越大，夹角θ越大。

本发明的有益效果在于：

1.本发明所述的具有宽幅特性的潜油泵叶轮设计方法，该设计方法通过两组叶轮叶片的配合设计与布置，实现潜油泵使用工况范围的拓宽。

2.本发明所述的具有宽幅特性的潜油泵叶轮设计方法，可以使潜油电泵适应多变的油井产能，保证潜油电泵的长期安全稳定运行。

3.本发明所述的具有宽幅特性的潜油泵叶轮设计方法，在设计过程中引入最大流量作为基本设计参数，潜油电泵叶轮的最大使用流量对潜油电泵的宽幅性能起决定性作用，这样设计保证潜油电泵的长期安全稳定运行。

附图说明

图1为本发明所述的潜油泵的叶轮轴面剖视图。

图2为本发明所述的叶轮叶片角度关系视图。

图3为本发明所述的叶轮叶片长度关系视图。

图4是本发明的一个实施例的叶轮扬程随流量变化数值预测结果与传统设计叶轮扬程随流量变化数值预测结果的对比。

图5是本发明的一个实施例与传统设计叶轮在大流量工况下叶轮流道内介质流动规律的对比。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

图1、图2与图3共同决定了这个实施例的叶轮水力设计方案。潜油泵叶轮流道内布置两组叶片，各组叶片在周向均为周期性布置，第一组叶片布置在叶轮流道的前半部分，第二组叶片布置在叶轮流道的后半部分。

在技术方案的实施过程中：本发明通过以下关系式逐步调整叶轮的几何参数，叶轮出口直径D₂，叶轮进口直径D_s，叶轮出口宽度b₂，第一组叶片进口边L₁，第二组叶片进口边L₃，第一组叶片出口边L₂，第一组叶片进口安放角β₁₁，第一组叶片出口安放角β₂₁，第一组叶片包角φ₁，第二组叶片进口安放角β₁₂，第二组叶片出口安放角β₂₂，第二组叶片包角φ₂，两组叶片之间的圆周相对角度θ等，使得这个实施例的潜油泵性能能够满足最大流量Q_max，1/2Q_max处设计扬程H_1/2，1/4Q_max处设计扬程H_1/4，3/4Q_max处设计扬程H_3/4，额定转速n的要求。

由下面公式计算叶轮进口直径D_s：

其中：Q_max为最大流量，m³/h；

n为额定转速，r/min；

d_h为轮毂直径，m；

k_s-潜油泵叶轮进口尺寸系数，取值范围k_s＝4.0～4.5；

D_s为叶轮进口直径，m。

叶轮出口直径D₂的设计公式：

其中：H_1/2为1/2Q_max处设计扬程，m；

n为额定转速，r/min；

ψ为D₂修正系数，取值范围ψ＝1.1～1.17exp(-0.008n_s)；

n_s为比转速，

g为重力加速度，m/s²；

D₂为叶轮出口直径，m。

叶轮出口宽度b₂的设计公式：

其中：k_b为b₂修正系数，取值范围

当n_s的范围为100～150时，k_b取较小值；当n_s偏离该范围时，k_b取较大值；

b₂为叶轮出口宽度，m。

第一组叶片进口安放角β₁₁和第一组叶片出口安放角β₂₁的设计公式：

其中：k_β为进口安放角修正系数，取值范围k_β＝10°～20°；且n_s越大，k_β的取值越小；

r_inlet1为第一组叶片进口边上任意一点至旋转轴的垂直距离，m；

Q_max为最大流量，m³/h；

D_s为叶轮进口直径，m；

d_h为轮毂直径，m；

r_out1为第一组叶片出口边上任意一点至旋转轴的垂直距离，m；

r_outlet1-hub为后盖板与第一组叶片出口边交点至旋转轴的垂直距离，m；

r_{outlet1-shroud}为前盖板与第一组叶片出口边交点至旋转轴的垂直距离，m；

β₁₁为第一组叶片进口安放角，度；

β₂₁为第一组叶片出口安放角，度。

所述第一组叶片包角φ₁、第一组叶片进口边L₁位置和第一组叶片出口边L₂位置确定方法如下：

所述第一组叶片包角φ₁：φ₁＝30～60°，且n_s越大，则φ₁越小；

所述第一组叶片进口边L₁位置：以叶轮进口为基准，第一组叶片进口边L₁与流道轴面投影中心线L的交点位P₁于流道轴面投影中心线L的20％～35％之间；也就是以叶轮进口为起点，P₁到起点的距离与流道轴面投影中心线L的比值为20％～35％。

所述第一组叶片出口边L₂位置：以叶轮进口为基准，第一组叶片出口边L₂与流道轴面投影中心线L的交点P₂位于流道轴面投影中心线的60％～70％之间。也就是以叶轮进口为起点，P₂到起点的距离与流道轴面投影中心线L的比值为60％～70％。

第二组叶片进口安放角β₁₂和第二组叶片出口安放角β₂₂的设计公式：

β₁₂＝β₂₁+(15～30)

其中：r_outlet2-第二组叶片出口边上任意一点至旋转轴的垂直距离，m；

r_outlet2-hub-后盖板与第二组叶片出口边交点至旋转轴的垂直距离，m；

r_{outlet2-shroud}-前盖板与第二组叶片出口边交点至旋转轴的垂直距离，m；

H_1/2为1/2Q_max处设计扬程，m；

H_3/4为3/4Q_max处设计扬程，m；

β₁₂为第二组叶片进口安放角，度；

β₂₂为第二组叶片出口安放角，度。

所述第二组叶片包角φ₂、第二组叶片进口边L₃位置和第二组叶片出口边L₄位置确定方法如下：

所述第二组叶片包角φ₂：φ₂＝10～30°，且n_s越大，则φ₂越小；

所述第二组叶片进口边L₃位置：以叶轮进口为基准，第二组叶片进口边L₃位置位于第一组叶片出口边L₂前端，与流道轴面投影中心线L的交点P₃位于流道轴面投影中心线的55％～65％之间；也就是以叶轮进口为起点，P₃到起点的距离与流道轴面投影中心线L的比值为55％～65％。

所述第二组叶片出口边L₄位置：第二组叶片出口边L₄位置与叶轮流道出口相同。

所述第一组叶片与第二组叶片之间相邻叶片的圆周夹角θ为5～15°，且n_s越大，夹角θ越大。

图4为本实施例叶轮与同型号传统叶轮的扬程数值预测值随流量变化对比，本实施例叶轮扬程随流量的下降速度小于传统叶轮，在大流量工况下，本实施例叶轮的扬程高于同型号传统叶轮的扬程，具有更好而宽幅性能。

图5为本实施例叶轮与同型号传统叶轮在大流量工况下内部流体的流动分布，传统叶轮在叶轮流道后半部分出现了范围较大，极其明显的旋涡，旋涡堵塞流道，使其过流能力下降，而本实施例叶轮的第二组叶片布置消减了该部位的旋涡，具有更好的大流量过流能力，从而使本实施例叶轮具有更好的宽幅性能。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种具有宽幅特性的潜油泵叶轮设计方法，其特征在于，已知最大流量Q_max、1/2Q_max处设计扬程H_1/2、1/4Q_max处设计扬程H_1/4、3/4Q_max处设计扬程H_3/4和额定转速n参数，由下面公式计算叶轮进口直径D_s：

其中：Q_max为最大流量，m³/h；

n为额定转速，r/min；

d_h为轮毂直径，m；

k_s-潜油泵叶轮进口尺寸系数；

D_s为叶轮进口直径，m；

叶轮出口直径D₂的设计公式：

其中：H_1/2为1/2Q_max处设计扬程，m；

n为额定转速，r/min；

ψ为D₂修正系数，取值范围ψ＝1.1～1.17exp(-0.008n_s)；

n_s为比转速，

g为重力加速度，m/s²；

D₂为叶轮出口直径，m；

叶轮出口宽度b₂的设计公式：

其中：k_b为b₂修正系数，取值范围

当n_s的范围为100～150时，k_b取较小值；当n_s偏离该范围时，k_b取较大值；

b₂为叶轮出口宽度，m；

第一组叶片进口安放角β₁₁和第一组叶片出口安放角β₂₁的设计公式：

其中：k_β为进口安放角修正系数，取值范围k_β＝10°～20°；且n_s越大，k_β的取值越小；

r_inlet1为第一组叶片进口边上任意一点至旋转轴的垂直距离，m；

Q_max为最大流量，m³/h；

D_s为叶轮进口直径，m；

d_h为轮毂直径，m；

r_out1为第一组叶片出口边上任意一点至旋转轴的垂直距离，m；

r_outlet1-hub为后盖板与第一组叶片出口边交点至旋转轴的垂直距离，m；

r_{outlet1-shroud}为前盖板与第一组叶片出口边交点至旋转轴的垂直距离，m；

β₁₁为第一组叶片进口安放角，度；

β₂₁为第一组叶片出口安放角，度；

第二组叶片进口安放角β₁₂和第二组叶片出口安放角β₂₂的设计公式：

β₁₂＝β₂₁+(15～30)

其中：r_outlet2-第二组叶片出口边上任意一点至旋转轴的垂直距离，m；

r_outlet2-hub-后盖板与第二组叶片出口边交点至旋转轴的垂直距离，m；

r_{outlet2-shroud}-前盖板与第二组叶片出口边交点至旋转轴的垂直距离，m；

H_1/2为1/2Q_max处设计扬程，m；

H_3/4为3/4Q_max处设计扬程，m；

β₁₂为第二组叶片进口安放角，度；

β₂₂为第二组叶片出口安放角，度。

2.根据权利要求1所述的具有宽幅特性的潜油泵叶轮设计方法，其特征在于，所述第一组叶片包角φ₁、第一组叶片进口边L₁位置和第一组叶片出口边L₂位置确定方法如下：

所述第一组叶片包角φ₁：φ₁＝30～60°，且n_s越大，则φ₁越小；

所述第一组叶片进口边L₁位置：以叶轮进口为基准，第一组叶片进口边L₁与流道轴面投影中心线L的交点位P₁于流道轴面投影中心线L的20％～35％之间；

所述第一组叶片出口边L₂位置：以叶轮进口为基准，第一组叶片出口边L₂与流道轴面投影中心线L的交点P₂位于流道轴面投影中心线的60％～70％之间。

3.根据权利要求1所述的具有宽幅特性的潜油泵叶轮设计方法，其特征在于，第二组叶片包角φ₂、第二组叶片进口边L₃位置和第二组叶片出口边L₄位置确定方法如下：

所述第二组叶片包角φ₂：φ₂＝10～30°，且n_s越大，则φ₂越小；

所述第二组叶片进口边L₃位置：以叶轮进口为基准，第二组叶片进口边L₃位置位于第一组叶片出口边L₂前端，与流道轴面投影中心线L的交点P₃位于流道轴面投影中心线的55％～65％之间；

所述第二组叶片出口边L₄位置：第二组叶片出口边L₄位置与叶轮流道出口相同。

4.根据权利要求1所述的具有宽幅特性的潜油泵叶轮设计方法，其特征在于，第一组叶片与第二组叶片之间相邻叶片的圆周夹角θ为5～15°，且n_s越大，夹角θ越大。

Images