转子式油气混输泵出口单向阀特性分析与研究（可编辑）

转子式油气混输泵出口单向阀特性分析与研究（可编辑） 转子式油气混输泵出口单向阀特性分析与研究 浙江工业大学硕士学位论文 转子式油气混输泵出口单向阀 特性分析与研究 作者姓名:张玉林 指导教师:张生昌 方志明 浙江工业大学机械工程学院 年月 .’ . ? : : 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明:所提交的学位论文是本人在导师的指导下,独立进行研究工 作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外,本论文不包含其 他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果,也不含为获得浙江工业大学或其它 教育 机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体, 均 已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名: 月埸日 狲 日期:加止年 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和 借 阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库 进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 、保密口,在 年解密后适用本授权书。 、不保密囱。 请在以上相应方框内打“?” 作者签名: 多沲林 日期:劲年月魄日 导师签名: 日期: 年 月 日 撇浙江工业大学硕士学位论文 转子式油气混输泵出口单向阀 特性分析与研究 摘 要 油气混输是油田开采的先进工艺之一,该工艺对于提高我国石油开采水平, 降低工 程投资和油气开采成本,增产原油,回收天然气,保护环境等具有重要意义。 转子式油气混输泵是实现油气混输工艺的关键设备,该泵在出口增设了一组单向球 阀,具有内压缩功能和良好的性能。鉴于目前尚无转子式油气混输泵的设计理论与技术 报道,本文以转子式油气混输泵出口球阀为研究对象,分别对球阀滞后角、运动微分方 程、阀内流场等进行理论分析与数值模拟,初步得到了该阀的工作特性。为该泵球阀的 进一步分析及优化设计提供了技术支撑。本文的主要研究工作和成果如下: .建立了求解滞后角的关系式。本文通过分析影响滞后角的因素,利用几何学与 工程热力学理论,推导并建立了求解滞后角的公式。以该式为基础,分析了气液比对滞 后角的影响,进而得到滞后角与气液比成正比例关系,比例系数由泵的转子尺寸、球阀 尺寸、阀球密度、泵进出口压力及气体介质的比热比确定的结论。同时分析了压缩比对 滞后角的影响。由分析可知:适当降低该泵的压缩比可减小气液比对滞后角影响。以上 结论为减小转子式油气混输泵出口球阀滞后角提供了参考。 .推导了转子泵耗功量的计算式。借助工程热力学理论分析并推导了转子泵 耗功 量的计算式。以该式为基础,分析了转子式油气混输泵压缩过程的耗功量,得到了不同 压缩比对泵耗功量的影响,为该泵压缩比的合理选择提供了理论依据。 .建立了球阀运动微分方程。根据转子式油气混输泵的工作原理,借助往复泵球 阀理论,推导了该泵出口单向球阀在纯液工况下的运动微分方程。并进行了实例分析, 利用软件得到了阀球的升程曲线和速度曲线,为分析球阀在气液两相复杂工 况下的运动特性提供基础。 .对球阀内部流场时行了数值模拟。应用软件对该泵阀内的流场进行了数值 模拟,得到了稳态流动条件下球阀内部压力场、速度场及气液相态分布规律,分析了不 同开启高度与不同气液比对阀隙流速的影响。并且进一步,对阀内非定常流场进行了动 态模拟,得到不同材质阀球的瞬时所受液动力变化曲线,为今后分析更复杂的气液两相 工况下不同材质阀球受力提供了基础。 关键词:转子式油气混输泵,球阀,微分方程,滞后角,气液比,数值模拟 ’ . ., , , , . . ? ? . , . ’? , , .. . . . . .. ’ ,, , , ., . . ’. . . ?, .. . . 一..? 浙江工业大学硕士学位论文 ,. .., . . . 。 :? , , , , , 目录 目 录 摘要??.. 符号. 第章绪论?。 .油气混输泵概述??.. .转子式油气混输泵及其出口单向阀概述?.. ..转子式油气混输泵工作原理及特点? ..球阀的特点及泵阀的研究现状 .本文的研究目标及研究内容 ..研究对象??一 ..研究目标??.. ..研究内容??一 第章球阀滞后角的计算与分析? ,气液比对该泵球阀滞后角的影响? ..气液比与滞后角关系式的建立??.. .,实例计算与分析??.. .阀球密度对该泵球阀滞后角的影响 ..阀球材质介绍一 ..不同阀球密度出口球阀的滞后角?.. .小结??. 第章不同压缩比对泵耗功量的影响.无出口球阀的转子式活塞泵 ..工作原理??.. ..输送气体介质时的特点??.. .新型转子式油气混输泵..新型转子式油气混输泵压缩过程耗功量?一 ..举例分析??一 .小结??. 第章转子泵出口单向阀运动规律的数学模型? .球阀运动规律的数学模型? ..球阀动力学微分方程的建立一 浙江工业大学硕士学位论文 ..液缸内液体连续流方程??~ ..球阀运动初始条件?.. ..球阀运动规律的数学模型?.. .实例计算..阀球材质为聚甲醛?~ ..阀球材质为陶瓷??.. ..阀球材质为钢.. .结果分析.小结??. 第章转子泵出口球阀内流场稳态模拟及分析? . 概述.三维模型建立与网格划分? .. /三维建模软件简介..出口球阀流体域实体建模?一 ..网格划分??.. .数学模型的建立与描述..流体动力学控制方程.. ..湍流模型??.. ..多相流模型?一 ..边界条件??.. ..控制方程的离散??一 ..压力修正算法一 。数值模拟结果及分析 ..阀内压力场分布比较一 ..阀内速度场分布比较一 ..阀内相态分布分析?.. .小结? 第章基于的泵出口球阀动态模拟? .球阀动态模拟前处理 ..几何模型与网格划分? .,计算模型的选择与操作环境的设置~ ..边界条件的设置??一 ..动网格相关参数的设置??.. .模拟结果与分析..球阀内流场的压力分布??.. ..阀球受力分析一 目录 .小结? 第章总结与展望? .总结? .本论文创新点 .展望? 附录? 参考文献??. 致谢? 攻读学位期间参加的科研项目和成果??.符号说明 拉丁字母 泵腔容积, 阀隙、球阀与阀座空间体积, 如阀隙过流面积, 如阀球工作面积, 压缩前气体介质体积, 转子宽度, 压缩后气体介质体积, 泵输送液体的压缩系数 “ 压缩终了时的介质体积, 阀球直径, 压缩前气体体积, 成 阀座孑直径, 阀球体积, 吐 阀座出口最大直径, 屹圪%%屹矿彬 泵耗功量, 阀球重量,岛堙, 希腊字母 重力加速度,/ 阀球升程, 转子内圆包角, ’ 阀球运动加速度,/ 转子外圆包角, 口‖五 % 压缩比 阀球质量, 珂 泵转速,/ 气体介质的比热比 液缸内液体压力, 泵耗功量比值 卸 泵阀开启压差, 液缸内液体密度,/ 见 泵的出口压力, 岛 液体在状态下的密度,/ 风 标准压力, 岛 阀球密度,/ , 吸入压力, 岛 原油密度,/ : 球阀开启压力, 流过球阀间隙的液体密度,/ 额定流量,/ 流量系数,.?. 几善 尺 转子外径, 气液比 缈 心 阀球半径, 滞后角, ,. 转子内径, ‰ 阀座孔半径, 第章绪 论 随着石油的不断开采,原油产出物越来越多的是油和气的混合物,同时还含 有少量 的水和砂,是一种多相混合物。在传统的石油开采过程中,需要建立一套复杂 的处理设 施,使原油产出物在开采平台分离,然后再将油、气分别输送到加工基地,这种开采工 艺增加了油气分离装置,非常不经济,而且在技术上带来了困难。与分离相比,多 相流混输泵是一种专门用于输送原油产出物的设备,它不需要分离装置,便可使原油产 出物直接输送到加工基地,在石油的开发中可节约大量的资金,特别适用于原油混合物 的远距离输送【?。 另外,边界油井的开发,也需通过油气混输泵加压输送。井口应用油气混输泵集输, 降低了井口的回压,积蓄地层能量,可提高油田采收率【。根据我国的国情,借鉴多相 泵输送技术可为我国石油开发服务。例如,我国的陆上老油田和边远低渗透油田的低产 井,迫切需要解决提高油井产量,延长油井生产寿命、降低原油生产成本的问。国外 在此方面已有许多成功的先例。在自然条件恶劣的沙漠油田、滩海油田和边远油田,可 采用多相泵输技术,将沙漠油田的油井采出物输至沙漠边缘的集中处理站;将滩海油田 的油井采出物输至海岸处理中心;将边远油田的采出物输至主力油田的联合站。这样就 可简化流程,大大减少站库的设置数量,降低工程投资,使油气集输系统发生重大的变 革,技术水平向前提高一步,进而获得较大的经济效益【。 虽然多相泵输技术可以带来较大的经济效益,但是目前油气混输仍极为困难,也是 国际原油开采业面临的一项重大难题。油气属多相介质,既有液相介质原油,又含气相 介质天然气。通常,液相采用泵输送,而气相介质采用压缩机。因此,研究开发一种高 效可靠的集泵和气体压缩机功能于一体可用于油气混输的增压设备,已成为世界泵业科 研攻关重中之重。 .油气混输泵概述 油气混输工艺始于年代、年代初,随着英国北海油田等海洋油气田的开发, 油气混输泵技术得到快速发展。几十年来,国外各大科研机构、石油公司和设备公司采第苹绪论 用三方联合的方式,投入大量人力物力进行油气混输泵技术研究,特别是最近十多年来, 美国、英国、德国、日本、俄罗斯等国更是投巨资加以研究开发。目前其油气混输机组 大多采用双螺杆、多级螺旋离心泵两种结构型式。其中,陆地上大多采用容积式双螺杆 型式,海上油田则采用双螺杆动力式多级螺旋离心泵的结构型式。己开发出用于海上原 油输送的油气混输泵,该产品可以连续输送含气率从指%液体到指%气体 的介质,非常适于恶劣的海上油田开采条件。虽然德国和公司、英国 和出公司等已有双螺杆泵产品用于油气混输,但由于采用的是传 统的技术,仍存在着不能成功运用的可能,如我国克拉玛依油田曾花费多万元 人民币从德国进口双螺杆油气混输泵,但至今仍无法正常运转,中海油天津分公司从德 国公司进口的双螺杆油气混输泵在安装、调试、运转过程中也出现诸多问题。 由此可见,国外油气混输泵机组也需要进行更深入的分析研究,以扩大产品的适用 范围。所以,仅靠依赖进口国外产品解决油气混输难题,不仅不适合我国国情,油田用 户也难以承受。 我国油气混输泵技术发展可分为原理探索、实验研究和技术攻关三个阶段。几十 年来,我国清华大学、西安交通大学、中国石油大学、合肥通用机械研究所、上海 所、天津泵业机械集团有限公司、大港油田总机厂等单位先后开展了大量的 试验研究工 作。目前,国内使用的油气混输泵机组结构大致分为单螺杆、双螺杆、三螺杆、多级螺 旋离心等型式。尽管这些泵的使用己初步满足了油气混输的要求,为我国原油开采作出 了一定贡献,但仍存在泵适用范围窄、效率低、水力损失较大、密封易失效、泥砂磨损 严重、可靠性差等一系列技术问题,如表.所示。 表. 国内油气混输泵机组浙江工业大学硕士学位论文 从上表可以看出,尽管双螺杆泵为目前油田使用较多的泵型,但双螺杆泵存在结构 复杂、制造要求高、刚性差、密封寿命短等缺点。因此,深入研究一种效率高、寿命长、 耐泥砂磨损、密封性能良好、可靠性高、加工简单,能基本适应各种油、气、水、砂比 例工况的高效多相流混输泵机组,已成为泵行业面临的重大课题。 .转子式油气混输泵及其出口单向阀概述 转子式油气混输泵是一款创新专利产品【】,在其出:增设了一组单向球阀,使该泵 具有内压缩功能,因此能更好的适应各种含气率工况。其结构示意图、三维效果图、爆 炸示意图如图、图.、图.所示。 出口 泵腔 吸液腔 图. 转子式油气混输泵结构示意图第章绪论 图.转子式油气混输泵三维示意图 图.转子式油气混输泵爆炸示意图 浙江工业大学硕士学位论文 .. 转子式油气混输泵工作原理及特点 泵工作时,相互啮合的转子在传动机构驱动下连续旋转,在吸入侧由于转子突起部 位相互渐渐脱开啮合,空间出现由小到大的容积变化,形成负压使介质充满吸入腔空间。 充满介质的空间随着转子的运转,进入排出腔。当转子的突起部位逐渐进入啮合时,啮 合空间出现由大的容积变化,如充盈的介质为液相介质,由于液体不可压缩,因此 将推开单向阀,流体经排出阀输出;当充盈的介质为气相介质或主要为气相介质时,由 于气体可压缩,因此当啮合腔的压力小于流体出口外的管线压力时,被输送的气相介质 将因转子的连续运转而在有限啮合区域聚集增压,很快压力大于管线压力, 推开单向阀, 流体经由排出阀输送到出口管线中,从而保证转子式油气混输泵即使在气液比不稳定的 多相介质输送过程中,可以持续有效工作,彻底消除气堵现象,可靠实现被输送介质的 压缩输送过程。 转子式油气混输泵有如下特点: 有内压缩过程。虽然转子在与泵出口连通瞬间,是等容积压缩,但随后便进行 内压缩。有内压缩过程比无内压缩过程少耗功。 】减小排气管道的压力脉动。由于内压缩的作用,通过球阀的介质压力始终与排 气压力即管道压力相等或相差很小,从而减小排气管道中气体压力的脉动。 】减小泄漏量。当内压缩终了压力小于排气压力时,阀球关闭,防止了排气管道 中气体的回流。因此能够更好的保证排气量。 减少振动和噪声。由于内压缩作用,压力脉动减小,则气体动力噪声减弱。泵 的振动和噪声相对减少。 转子式油气混输泵机组与国内外同类产品比较如表?、?所示。 表转子式油气混输泵机组与国内同类产品比较表第章绪论 表.转子式油气混输泵机组与国外同类产品比较表 由上可见,转子式油气混输泵机组突破了传统技术的束缚,首次大胆采用了集成 创新技术、新工艺、新材料、新方法、先进实用。 ..球阀的特点及泵阀的研究现状 .球阀的特点 转子式油气混输泵的出口球阀采用的是自重球阀,其结构如图.所示。自重球阀 有以下特点: 阀球为标准钢球或其他材料的球,结构简单,互换性强,装拆方便,便于清洗; 阀球在启闭及运动中伴有旋转运动,磨损均匀,且阀球及密封接触表面粘附的 杂质容易被清除,即所谓有“自洁作用”: 密封接触面较小,密封性能好,泵的容积效率较高; 阀隙流道较平滑,水力阻力小,适合输送粘度较高的液体‘卯。 图.球阀结构三维示意图浙江工业大学硕士学位论文 .泵阀研究现状 泵阀是泵的重要组件,不仅起着导通和阻断介质的作用,还具有调节压力、阻止介 质回流等功能。近年来,在对各种泵阀运动特性的研究方面取得了不少成果,通过理论 分析和实验研究,大大地提高了对各种泵阀工作特性的认识。可为新型转子式油气混输 泵用球阀的研究提供参考。 抽油泵、往复泵球阀运动特性理论分析与研究 葛占玉等对抽油泵泵阀运动规律进行了研究,通过建立数学模型,编程计算, 得出阀座通孔直径取为阀球直径的.倍为宜,可采用合理的阀罩结构和大直径小密 度的阀球等结论州。孟英峰等对往复泵泵阀的运动规律进行了建模与分析,得出 了更加完整和接近实际的泵阀运动规律的数学模型。董世明等研究了往复泵自 动球阀的精确运动微分方程及其数值解。所建立的数学模型在泵阀的整个运动周期内都 不存在奇点问题,并通过计算机仿真程序和室内台架模拟实验验证了数学模型与数值算 法的正确性【引。此外,张文华等研究了固定阀球密度对抽油泵进油的影响,通过理 论分析和试验.阐述了抽油泵固定阀阀球密度对阀球跳高状态、油流压力损失、阀球回 落时间,冲程及固定阀漏失量的影响。结果表明,阀球的密度加大,油流进泵阻力增加, 固定阀处的压降增加,抽油泵的充满系数降低,抽油泵的冲程损失增大,建议在常规采 油井中.应尽量避免应用密度较大的固定阀球。而在含砂量大、腐蚀性强的油井中,应 充分利用大密度阀球的耐磨性能和耐腐蚀性能【】。 陈德生等对往复泵自动式球阀的开启压差进行了研究,得到泵阀开启压差取 决于泵的结构和结构尺寸,与泵的排出压力和吸入压力无关;分析泵阀的受力时,应该 考虑泵阀阀口研合面上的液体压力【】。张生昌,鲍慧梅着重研究了计量泵自重球 阀滞后对计量精度的影响,他们基于泵阀运动的魏氏效应及液体不可压缩性对泵阀运动 的动力特性及液缸内液体连续流条件的影响,推导并建立了球阀运动规律的微分方程。 编写了自重球阀运动规律仿真程序,并结合实例进行了仿真计算,并分析了滞后角对计 量精度的影响,为高精度计量泵球阀的优化设计提供了参考【】。曲海,梁政等对 直线电机采油泵球阀运动规律进行了研究,根据直线电机采油泵运行特性,结合现场试 验,综合考虑了液体连续流动条件、魏氏效应、可压缩性和球阀的动力特性,建立了球 阀运动规律的运动微分方程组。编写了计算机数值微分仿真程序,通过模拟,分析了球 阀运动速度与升程参数的影响关系,得到了直线电机采油泵球阀运动特性规律曲线【引。 于慧,韦杰在对弹簧式安全阀阀球开启高度对排量的影响的分析中,分析了 第苹绪论 阀球开启高度对排量的影响,并根据样机试验结果及工业运行情况绘出了流量系数与阀 球开启高度的关系曲线,为该结构的安全阀设计奠定了理论基础【】。贺小峰等对球阀阀 口流量特性进行了试验研究,试验表明,当阀座半锥角为度、倒角长度不大于 时,在所有试验的开度和雷诺数变化范围内,球阀有较稳定的流量系数.~.,且 不易出现流量饱和现象:阀座倒角对阀口的流量一压差特性的影响较大,而倒角长度对 其影响较。 球阀的数值模拟及仿真分析 杨国安等钻井泵阀隙流场进行了仿真计算并得到阀隙流场在某一 时刻泥浆流速的分布规律。结合钻井泵阀的失效机理,通过对泥浆流速的分析可知,当 锥阀下底面直径一定时,阀盘锥角的增加可以改善泥浆与泵阀密封圈的磨损状态;阀盘 两底角处速度最大,密封圈容易被撕裂,因而造成泄漏。该结论对泵阀的优化设计及延 长泵阀使用寿命有重要的指导意义【】。吴建军等对抽油泵泵阀运动规律进行了 仿真。通过对泵阀的开启压差的精确计算,借助往复泵泵阀的理论成果,建立 了泵阀运动数学模型与仿真模型。通过对抽油泵泵阀进行仿真,得到泵阀打开 高度曲线、泵阀运动速度曲线及泵筒内的液体压力变化规律曲线。分析仿真结果认为, 开启压差对阀球的打开影响较大,并不完全由沉没压力决定;阀球的打开与有杆抽油系 统的冲次、泵的结构及冲程有关,随着有杆泵抽油系统冲次或冲程的减小,泵阀的升程 高度相应减小,反之增大【】】。全明军等在对有杆抽油泵气体压缩效应对系统效率 的影响的研究中得到活塞对泵腔内气体的压缩效应是造成有杆抽油井系统效率低的主 要原因。把对抽油泵内相态的分析和工艺技术结合起来是提高有杆抽油系统效率的重要 研究方向【】。高红等对球阀阀气穴流场进行了实验研究和数值模拟。他们将 多相流技术与 ?湍流模型相结合,对球阀阀口的三维气穴流场进行了数值模 拟,计算了小球在非对称位置与对称位置的气穴流场。应用高速摄像机观察了阀口附近 的气穴现象,与模拟结果比较,两者吻合。对球阀有无气穴现象分别进行了频谱分析和 噪声测试。实验结果表明阀口气穴现象以的频率周期性地发生,小球弹性系 统及 小球在轴向的固有频率远小于,而且频率对应的噪声级很高。比较了数 值模拟得到的对称与非对称气穴区域与实验观察到的气穴云变化。进一步预测阀的横向 振动使得气穴现象周期性发生【】。 ..等对提升阀内的流体流动进行了数值模拟研究。研究将数值模 拟结果与实验测量结果和直观流动进行比较,得到模拟结果与实际流动在理论上有较好浙江工业大学硕士学位论文 的一致性,但对于出现脱流、漩涡、附着等复杂湍流模型时,结果将不精确。最后得出 结论,在分析模拟结果时一定要严谨,尤其要注意脱流、漩涡、附着等复杂情况的湍流 模型。无论什么情况下,模拟结果都必须与实验结果进行比较,虽然模拟结果不精确, 但多次模拟可以较好的预示流体流动趋势。数值模拟能成为设计阀的有力工具‘】。, .等对一种带有游动阀的压电液压泵设计进行了研究。提出这种的结构由一个 压电执行机构和两个分别作进出口阀的压电式阀组成,这种阀是一种创新阀。泵的运行 由增压室和压电执行机构完成。在研究中,他们指出利用有限元静态压电分析可以分析 出泵每个冲程输送的液体体积最大值,而利用有限元动态压电分析则可以预测泵阀的动 态特性。对特殊的几何尺寸利用结构最优设计技术使泵的效率最大。利用的瞬态模 型预测阀隙流速。同时对泵阀进行动态实验,其结果与模拟结果一致【。. 等对实验操作压力安全阀的动态特性进行了分析研究。在文章中介绍了通过结合 图表模拟技术对实验操作压力安全阀的动态特性的研究。从模型得到了系统的控制方 程。在对系统方程进行数值解时,要考虑到安全阀端口压差流的特点。仿真研究得到了 一些重要的设计参数,这些参数对系统的瞬时反应有很大的影响】。 压缩机气阀 转子式油气混输泵在油气混输工况下有类似压缩机的功能,研究压缩机气阀工作特 性有助于分析转子式油气混输泵球阀的工作特性。 杨现林等,对天然气压缩机气阀进行了动态分析,通过对往复式天然气压缩 机气阀动态分析,推导出了其动力学方程,采用多种弹力值对气阀运动进行了数值计算, 得到了反映阀片运动与气阀弹力之间的关系。揭示了气阀设计与其流通性和动力学特性 之间的规律,为气阀的优化设计提供了理论指导。王丽等研究了动态气体力 对 往复式压缩机气阀运动规律影响。他们通过分析比较气阀阀片所受的静态气体力和动态 气体力,改进了描述吸气过程的方程组。为往复式压缩机阀片的研究提供了理论参考【。 综上所述,目前公开发表的相关文献资料虽然有对球阀工作特性的分析研究,但大 部分都是对往复式泵球阀的研究,没有关于回转式容积泵阀门的研究,且只针对液态工 况,进行泵阀的数学建模,失效分析,结构优化等研究;针对气体介质,只研究了压缩 机气阀工作特性,气液两相工况下转子式泵泵阀相关研究未见报道。因此,本文将对转 子式油气混输泵出口球阀的运动特性进行分析与研究。第章绪论 .本文的研究目标及研究内容 ..研究对象 转子式油气混输泵是一种回转式容积泵,而回转式容积泵与往复泵相比通常没有 吸、排液阀,新型转子式油气混输泵增加了出口单向阀使其具有内压缩功能,能更好适 应气液两相工况。本文所研究的对象便是这种具有内压缩功能的转子式油气混输泵及其 出口单向球阀。其主要参数如表所示。 表转子式油气混输泵主要参数表 名称 数值 额定流量/ 眈 吸入压力 他 排出压力见 湖 泵转速// 咖 阀球直径 堇 阀座孔直径 ? 转子外径尺 躺 转子内径, 九 转子宽度 ..研究目标 .总结出不同气液比及不同阀球材质对滞后角的影响规律。 .分析得到不同内压缩比对泵耗功量的影响规律。 .得到在不同阀球材质下,阀球的运动规律。 .总结出不同开启高度对阀隙流速、压力的影响规律。 .研究出不同气液比对球阀阀隙流速、压力的影响规律,得到阀内气相的分布规 律。 ..研究内容 .影响球阀滞后角的主要因素。研究气液比分别为,.,.,.,.,., .,.,.,.,十种情况下的滞后角,从而找出气液比与滞后角之间的关系。进浙江工业大学硕士学位论文 一步分析阀球材质分别为尼龙、聚甲醛、陶瓷及钢的滞后角,从而为选取合适的阀 球材质提供参考。 .不同压缩比对转子式油气混输泵耗功量的影响。借助工程热力学理论分析并计 算压缩比分别为、、时泵的耗功量,并与无内压缩过程的转子泵耗功量进行对比。 .不同阀球密度对球阀运动规律的影响。推导阀球运动微分方程,并对材质分别 为金属、陶瓷、聚甲醛的阀球进行仿真分析,得到不同阀球密度对阀球运动规律的影响。 .不同气液比及不同开启高度对球阀阀隙流速的影响。采用流体动力学计算 软件 , , 对泵阀内部流场进行稳态数值模拟,研究开启高度分别为 三种模型下气液比为.,.,.,.,五种工况的阀内流速、压力分布及相态分布。 .不同阀球材质对球阀受力的影响。基于对阀内非定常流场进行动态模 拟,得到阀球材质为聚甲醛、陶瓷及钢的受力变化曲线。第章球阀滞后角的计算与分析 第章球阀滞后角的计算与分析 转子式油气混输泵在出口增设了一组球阀,能更好的适应油气混输工况。但泵阀在 运动过程中存在滞后,将造成泵的容积损失率增加,容积效率下降【?。此外,由于滞后 角的存在,排出管路将会产生流量脉动影响泵的稳定性彩】。而气液比与阀球密度是影 响该泵出球阀滞后角的两个主要因素,因此研究不同气液比及不同阀球密度对该泵出 口球阀滞后角的影响,可为减小气液比对该泵出口球阀开启滞后角的影响提供理论指 导,对提高转子式油气混输泵容积效率和减小流量脉动具有重要意义。 .气液比对该泵球阀滞后角的影响 对于往复式泵而言,泵阀运动,当曲柄转角缈时,也即柱塞处于吸入行程对吸 入阀或排出行程对排出阀开始的瞬时,泵阀处于关闭状态,尚未开启。直到曲 柄转到 某转角伊屈,由于排出阀或吸入阀的关闭,吸入阀或排出阀才开始开启,这时滞后 一个曲柄转角缈届,把届称为开启滞后角。当妒万时,即柱塞处于吸入行程对吸入 阀或排出行程对排出阀终了的瞬时,泵阀还处于某一高度%位置,尚未关闭。直到曲 柄转到某一角度妒万屐时,泵阀才关闭,滞后一个角度屈,把孱称为关闭滞后角【。 而对于转子式油气混输泵,其滞后角是指假设忽略液体的压缩性及余隙容积,在输 送油气混合介质时,由于气体的内压缩过程转子转动一定角度后出口单向阀才开启, 角口为转子式油气混输泵的滞后角。 ..气液比与滞后角关系式的建立 通过分析转子式油气混输泵出口球阀滞后角产生的原因可知,气液比与滞后角之间 的关系式主要由以下几个方面确定。 .出口单向阀的开启压力 为便于分析气液比对转子式油气混输泵出口单向球阀滞后角的影响,做如下假设: 不考虑液体的压缩性: 气体的压缩过程为绝热压缩过程; 浙江工业大学硕士学位论文 ?? ???????????????????????????????????????????????????一一 转子型线近似为直线; 不考虑泵腔内的余隙容积。 球阀结构二维示意图如图.所示。 图球阀结构示意图 泵阀开启压差的计算公式为【】: ‘? 卸丽忑两而 其中,卸为泵阀开启压差,;为阀球重量,砌增,;岛为阀球密度,/; 为阀球体积,;为重力加速度,/;如为阀座孔直径,;儡为阀座出口最大 直径,。 开启压差卸仍一,其中见为泵的出口压力,;见为开启压力,。则 开启压力为: 卸 .泵腔容积的计算 图转子结构示意图 .?? .. 墼.兰.堡塑堂星鱼塑生竺量坌堑 ????????????????????一 转子结构示意图如图所示。由图可得泵腔横截面,如图所示。 图.泵腔横截面面积的计算 由图?司得泵腔横截囱向积的表达式如卜:六嗍无一一厶聊一如? 式中,?洲为泵腔横截面面积,;为部分环形区域面积,;/赢为 扇形面积,;厶为三角形面积,。由图可得: 等槲一 百【舢哪, ‰等擅 毛。吉船劬譬一争 其中,‖为转子外圆包角,。:口为转子内圆包角,。;为转子外径,;为转子内 径, 。则泵腔容积表达式为: . 等.【等槲一月,.州譬一扣圪 式中,为转子宽度,:为泵腔容积,。浙江工业大学硕士学位论文 .压缩终了时的介质体积 以式为基础,并根据转子式油气混输泵运动规律,当转子转过角度驴后,球阀 开启,即球阀滞后角为缈。由图可得,压缩终了时的介质容腔横截面面积表达 式: 如警【等槲一扣伽譬一》 式中,缸为压缩终了时的介质容腔横截面面积,:妒为出口单向阀开启滞后 角, 图压缩终了时容腔横截面面积的计算 由式可得压缩终了时的介质体积: . 号竽等捌一扣喈一争炉% 式中,为压缩终了时的介质体积,。 绝热压缩过程中气体的状态变化: . 丝:生, 扔 屹第章球阀滞后角的计算与分析 式中,为阀的开启压力,即气体压缩终了压力,;为气体介质初始压力,即 泵的入口压力,;圪。为压缩前气体介质体积,;屹:为压缩后气体介质体积,; 为气体介质的比热比【。 由式.可以得到圪:的表达式如下: . ’ %:丽 令气液比为,则压缩前气体介质体积唿,为: %圪 油气混合介质压缩终了时的体积为: %一圪 上式中一圪为液体介质体积。 将式卜.代入式并化简得: 口 其中: 冲一赢咖一百嵩呼一争协四 则式.为气液比与滞后角的关系式。 ..实例计算与分析 ;阀座半锥为 ;阀座出口最大直径 已知泵的基本参数:阀座孔直径以. :取阀球材质为聚甲醛,聚甲醛密度为风/。 唛. 。阀球半径. , 转子外径:.:转子内径. ;转子宽度曰. ;转子外圆包角‖ 内圆包角口 泵转速 /;泵流量为/:原油密度/; 。 气体介质为天然气,其比热比.。进压力. ,. ,. 时,将参数代入以上各式,经计算 当出压力以分别为 可得气液比为、.、.、.、.、.、.、.、.、.、十种工况的出口单向 球阀的滞后角,如表.所示。浙江工业大学硕士学位论文 表 不同气液比的滞后角 、. 、. 时,气液比与滞后角之间 由表?可得出口压力分别为 的关系曲线,如图.所示。& 寰 . . . . . . . . . 气液比 图?滞后角随气液比变化曲线 由以上图表可知: 气液比对该泵出口球阀滞后角的影响较大。例如当出口压力为,气液比 第章球阀滞后角的计算与分析 为。时,滞后角便达到.。。因此,需要采取措施减小气液比对滞后角的影响。 对于给定的一台泵而言,虽然其转子尺寸、球阀尺寸、阀球密度是确定的,且 油井中的气体主要为天然气,则可认为气体的比热比也是确定的,但在满足该泵输送要 求的前提下,入口压力.一定时,可通过调整其出口压力,则该泵球阀的开启压力: 改变,即改变泵的压缩比:/,来改变该泵球阀的滞后角。 由图.可观察出,随着压缩比的增加,直线的斜率增加。即气液比一定时, 球阀开启滞后角随压缩比的增大而增大。当压缩比较大时,排出管路产生流量脉动较大, 对泵的稳定性影响较大。因此,为了减小气液比对滞后角的影响,可以适当降低泵的压 缩比。 .阀球密度对该泵球阀滞后角的影响 泵阀组件结构及材料的研究在国外已有几十年的历史,经历了由低级向高圾、由单 一适应性向多种适应性方向发展的过程。目前已有多种材料和泵阀的组合,用户可针对 油井不同的腐蚀状况、原油物性及井温,压力、磁性等,选择不同的组合形式,来满足 不同油井的使用需要。 目前,阀球密度对泵性能影响的研究常见的有以下几个方面: 阀球密度对介质压力损失的影响。主要表现在以下两个方面,一是在阀球开关 瞬间,阀球的自重直接影响着开启压差;二是在阀球处于开启状态,介质经阀球流出泵 腔期间,阀球外形尺寸及自重影响的介质的压力降。 阀球密度对跳高状态的影响。当密度增加时,阀球在开启期间不稳定的上下跳 动时间被延长,阀球的平均跳高降低,介质排出阻力增大。 此外,也有研究阀球密度对回落时间的影响,阀球密度对冲程的影响,阀球密度对 阀漏失量的影响等,而有关转子式油气混输泵出口单向球阀密度的研究报道却很少。选 取合适的阀球密度对于提高该泵出口单向阀的寿命及泵的整体性能有着极 其重要的意 义。因此开展阀球密度对该泵球阀滞后角的影响很有必要。 .. 阀球材质介绍 结合.节相关内容,对阀球材质分别为尼龙,聚甲醛,陶瓷,钢时出口球阀 滞后角进行计算,进而分析阀球密度对该泵阀滞后角的影响规律。 .尼龙浙江工业大学硕士学位论文 尼龙是我国独创的一种工程塑料,用蓖麻油做原料,提取癸二胺及癸二酸再 缩合而成的。成本低、经济效果好、自润滑性和耐磨性极好、耐油性好,机械强度较高, 脆性转化温度低,广泛用于机械零件和化工、电气零件。在增注泵泵阀的技术 改造中,采用尼龙材料的泵阀可以降低冲击噪声口引。 .聚甲醛 聚甲醛是一种没有侧链,高密度,高结晶性的线性聚合物,具有优异的综合性能。 聚甲醛是一种硬而致密,表面光滑的材料,白色或淡黄,可在较大温度范围内长期使用。 它的自润滑性和耐磨性也比大多数工程塑料优越,又有良好的耐油,耐过氧化物性能。 但很不耐酸,不耐强碱和不耐太阳光紫外线的辐射。 其综合表现为:耐疲劳强度高。耐磨性好,磨擦性能非常优异。吸水率低。表面硬 度大,刚性好。尺寸稳定性好,产品的尺寸精度高,良好的滑动。因此很适合应用于泵 阀的制造与使用。 .陶瓷 普通陶瓷材料采用天然原料,如长石、粘土和石英等烧结而成,是典型的硅酸盐材 料,主要组成元素是硅、铝、氧,这三种元素占地壳元素总量的%以上,普通陶瓷来 源丰富、成本低、工艺成熟。这类陶瓷按性能特征和用途又可分为日用陶瓷、建筑陶瓷、 电绝缘陶瓷、化工陶瓷等。 陶瓷材料是工程材料中刚度最好、硬度最高的材料。陶瓷的抗压强度较高,但抗拉 陶瓷材料一般具有高的熔点,且在高温下具有极好的化 强度较低,塑性和韧性很差。 学稳定性;陶瓷的导热性低于金属材料,陶瓷还是良好的隔热材料。 根据陶瓷材质的特点,在一些特殊的工作环境下,泵阀材质采用陶瓷可以有效的提 高泵的使用寿命和效率。 .钢 如今,钢以其低廉的价格、可靠的性能成为世界上使用最多的材料之一,是建筑业、 制造业和人们日常生活中不可或缺的成分。可以说钢是现代社会的物质基础。目前已经 成为阀球采用最广泛的一种材料。。 ..不同阀球密度出口球阀的滞后角 不同阀球材质对阀滞后角的影响主要是由于密度不同引起的,因此下面分析阀球密 度与滞后角之间的关系。 第章球阀滞后角的计算与分析 由气液比与滞后角关系式.、.可推得如下关系式: . 妒 . 刊型瓣锈筠煎 、 “ 一,. ?、 】,口一下丁要%协曼一竺 由以上各式可以看出,当气液比一定时,由于泵的结构尺寸不变,】,为定值;进出 口压力一定时增大阀球密度岛,的值增大,则滞后角增大。阀球密度减小则滞后角 减小。 已知尼龙的密度 /,陶瓷的密度 /,聚甲醛的密度岛 岛,钢的密度成/。其他条件不变,当出口压力.,气 液比为时四种阀球材质对应的球阀滞后角如下表所示。 表不同材质的阀滞后角 阀球材质 滞后角口 尼龙 . . 聚甲醛 陶 瓷 . . 钢 由表可得球阀滞后角随阀球密度变化的曲线,如图所示。 图滞后角随阀球密度的变化曲线 浙江工业大学硕士学位论文 由表?和图可知,滞后角随阀球密度的增加而增加,滞后角与阀球密度成正 比例关系。另外,从表?还可以看出,从数值上来说,当其他条件不变时,阀球 密度 对滞后角的影响不大。例如,钢的密度是尼龙密度的七倍多,但滞后角却只增 加 了.%。 .小结 本章通过理论计算与分析,针对转子式油气混输泵出口球阀推导了滞后角与气 液比的关系式,从而得到了气液比对滞后角的影响规律,即出口单向阀的滞后角随气液 比的增大而增大,滞后角与气液比成正比例关系。比例系数由泵的转子外径、转子内 径,.,转子外圆包角‖、转子内圆包角;阀座孔直径瓯,阀座出口最大直径西,阀球 密度;泵的内压缩比见/乃及气体介质的比热比确定。研究结果为减小气液比对该 泵出口球阀滞后角影响提供了参考。 分析了阀球密度对该泵阀滞后角的影响。由于阀球密度的大小对滞后角大小的 影响较小,因此在选取阀球材质时,可以不考虑材质对滞后角的影响,应主要考虑材质 对泵其他性能的影响,如材质强度,刚度,耐磨性,抗腐蚀性等对泵性能的影响。以上 结论为该泵球阀材质的选取提供了理论指导。 第章不同内压缩比对泵输入功率的影响 第章 不同压缩比对泵耗功量的影响 本文在第章讨论气液比对转子式油气混输泵出球阀滞后角的影响时,分别计 算了该泵在不同压缩比时阀的滞后角,并得到减小压缩比可以减小气液比对泵阀滞后 角影响的结论。而压缩比对该泵耗功量的影响较大,但目前有关压缩比对泵耗功量影 响的研究较少【,为了使转子式油气混输泵能在最优工况运行且减少能耗,因此很 有必要研究压缩比对该泵耗功量的影响规律。 此外,泵是石油采集过程中耗电量大的设备之一,尤其是近年来,随着国民生产 各个行业的发展,对石油资源的利用日益增多,提高石油机械的生产效率,降低生产 成本已经是一个亟待解决的问题】。研究压缩比对新型转子式油气混输泵输入功率的 影响,对提高该泵的使用效率降低能耗具有重要意义。 .无出口球阀的转子式活塞泵 .. 工作原理 外环流转子活塞泵由近乎椭圆形的液缸与两侧的端板包容成一个空间,液缸两对面 分别设置与进、出口管道相连的进液孔口和排液孔口。一对彼此啮合的叶轮由液缸外侧 的一对同步齿轮带动而作方向相反的旋转。借助于两叶轮的啮合实际上两叶 轮并不接 触,两者之间留有微小的“啮合间隙”,使进液口与排液口相互隔绝。在旋转过程中, 将液缸内的介质从吸入孔口推到排液孔口,以达到输送介质的目的【。 ..输送气体介质时的特点 输送含气量大的介质时,该泵具有以下特点: 无内压缩过程。在输送气体介质时,气体压力并非由于容积压缩而提高,而是 借助出口较高压力气体回流以提高液缸容腔中的气体压力,即所谓等容积压缩。 转子每旋转一周,依次有四个腔室与进出口相通,因此吸、排气过程是间断地、 周期性地进行的,造成进出口管道中气体压力的脉动。此外,由于它周期性的吸、排气 以及瞬时等容积压缩而形成气流速度与压力的脉动,产生较大的气体动力噪声,这是该浙江工业大学硕士学位论文 泵用于油气混输时的又一缺点。 .新型转子式油气混输泵 新型转子式油气混输泵在出口增设了一组球阀,在泵的出口处安装球阀以后,介质 要通过球阀才能从出口流进排出管道,出口不直接与管道连通。当出口阀关闭时,阀球 与两转子及端板形成封闭容积,如图.所示。由于转子不断旋转,则容积的大 小 在不断变化。当容积由最大到最小时,内的气体被压缩,压力不断升高,直到 内气体的压力达到开启压力时,阀球打开,介质被排出。当排出结束后阀球关闭,这样 便可防止管道内的介质回流。 一 门一 一叫 图? 新型转子式油气混输泵工作原理示意图 .. 新型转子式油气混输泵压缩过程耗功量 转子式油气混输泵增加了出口球阀,是一种具有内压缩功能的新型油气混输泵, 能更好的适应气液两相工况。与传统转子泵相比,有内压缩过程图比无内压 缩过程图.将少耗功【】。具体分析如下:第章不同内压缩比对泵输入功率的影响图.出口无球阀时转子活塞泵压缩图 ?图 出增设球阀后转子活塞泵压缩图 假设气液比为时,即介质全为气体。因压缩过程进行很快,过程中气体向外界 传出的热量可以忽略不计,此时压缩过程可视为可逆绝热过程。把天然气当作理想气 体,理想气体在可逆绝热过程的技术功即泵耗功量为【】: . 嘭击一旦了 一 式中,彬为内压缩过程泵耗功量,;为气体比热比;为气体初始压力,;为 压缩前气体体积,;办为气体压缩终了压力,。 无内压缩过程,泵的耗功量为: ? 形?一 浙江工业大学硕士学位论文 式中,为无内压缩过程泵耗功量,;为泵的余隙容积,:余隙容积较小,令。 ..举例分析 下面将举例分析压缩比分别为、、时泵的耗功量。 .压缩比为 ,由第章内容可 己知泵的入口压力.× ,泵的出口压力× 知压缩比近似为:/。气体体积.ב,天然气的比热比.。 则有内压缩过程泵的耗功量为: ‘ 。 ‘ 彬昔.×.× .一 淼声 、.×” 负值表明消耗外功。无内压缩过程,泵的耗功量为: .。×.?一 有内压缩过程耗功量比无内压缩过程耗功量少耗功的比值为: :×%:??×%:.%.压缩比为 ,则压缩比: 己知泵的入口压力. ,泵的出压力.× ,天然气的比热比.。则有内压缩过程泵 /。气体体积.× 的耗功量为: ‘ 。 【器 ‘.×” 芦 形昔.××. .一负值表明消耗外功。无内压缩过程,泵的耗功量为: .‘×.?.一 有内压缩过程耗功量比无内压缩过程耗功量少耗功的比值为: %.% ‖;×。。%百 。矿 .压缩比为 ,则压缩比: 已知泵的入口压力. ,泵的出口压力. ,天然气的比热比.。则有内压缩过程泵 五/,。气体体积.× 的耗功量为:第章不同内压缩比对泵输入功率的影响 .。 ‘ ‘ 彬:晶. 器 、. ”‖,川 .一 负值表明消耗外功。无内压缩过程,泵的耗功量为: .一×.?.一 有内压缩过程耗功量比无内压缩过程耗功量少耗功的比值为: :坠里×%:二塑×%:.% 。 不同压缩比,泵的耗功量对比如下表所示: 表. 不同压缩比泵的耗功量 由表.分析可知,其它条件不变,压缩比增大,有内压缩过程和无内压缩过程 的耗功量都在增加,但其比例不断减小,即压缩比越大,有内压缩程比无内压缩过程 少消耗的功就越多。 .小结 本章主要从能耗的角度分析了内压缩比对泵耗功量的影响。随着压缩比增加,泵 的输入的功率增大,耗能增大。但比使用无内压缩功能的泵节能更多。增设出口球阀 后新型转子式油气混输泵除了具有内压缩功能外,还有如下特点: 减小排气管道的压力脉动。由于内压缩的作用,通过球阀的介质压力始终与 排气压力即管道压力相等或相差很小,从而减小排气管道中气体压力的脉动。 减小泄漏量。当内压缩终了压力小于排气压力时,阀球关闭,防止了排气管 道中气体的回流。因此能够更好的保证排气量。 减少振动和噪声。由于内压缩作用,压力脉动减小,则气体动力噪声减弱。 泵的振动和噪声相对减少。 浙江工业大学硕士学位论文 第章 转子泵出口单向阀运动规律的数学模型 转子式油气混输泵属于容积式回转泵,是一款专利产品,在传统外环流转子泵出 口增设了一组球阀,使其具有内压缩功能,能更好的适应气液两相工况,因而具有独 特的油气混输功能。由于传统容积式回转泵出口无阀,现有的球阀运动规律的数学模 型是建立在往复式容积泵基础之上的,而不能全部应用于转子式油气混输泵出:单向 阀。另外,阀球的材质是影响阀球升程及球阀开启速度的重要因素,选取合适的阀球 材质对提高泵的性能尤为重要。因此,开展转子式油气混输泵出口单向阀的运动规律 的研究,用于指导该类型泵阀的设计具有重要意义。 .球阀运动规律的数学模型 目前,关于往复式泵球阀的研究,国内外科技工作者已经提出了很多描述其运动 规律的数学模型。对于转子式油气混输泵出口单向球阀将借助往复式泵球阀理论进行 研究。转子式油气混输泵出口单向阀的功能不同于往复式泵阀,出口单向阀不仅伴随 转子的旋转运动,不断启闭,交替的沟通与截断活塞工作腔与排管之间的通道,完成 泵的排出过程。而且,在输送气体介质时,使泵具有内压缩功能。 为便于对新型转子式油气混输泵出口球阀运动规律的数学模型进行理论研究,做 如下假设: 不考虑液体在液缸内流动的摩阻损失; 活塞与液体没有脱离现象; 液缸内各点的压力及密度都相同; 流体动力学封闭方程为均熵流场; 不考虑泵腔内的余隙容积。 ..球阀动力学微分方程的建立 假设不考虑阀球与液体之间的摩阻且球阀沿中心线做直线运动。由泵阀受力平衡 条件可得泵阀运动规律微分方程为臀】: 第章转子泵出口单向阀运动规律的数学模型 ? 耐。ב 贡,;为重力 式中,为上下压差,;作,; 加速度,/;为阀球升程,;。为阀球运动加速度,/。 图. 新型转子式油气混输泵工作原理 ..液缸内液体连续流方程 活塞排液过程,在时间间隔内,活塞转动角度为?,如图?所示。单位时间 内液缸内液体的减少量应等于通过阀隙流出液体的质量,得到连续流方程: 埘 州为液缸内液体的减少量,埘为通过阀隙流出液体的质量。 谢彘一嘲‖附志刎 ‘划×。衍 一孝山 州 式中,为泵腔容积,,由泵腔容积表达式.可知: ‘百,/等捌一扣咧譬一争 为阀隙、球阀与阀座形成的空间体积,;为液缸内液体密度,/;。为阀隙过流 面积,;为液缸内液体压力,;为泵的出口压力,:成。为流过 生竺竺一堑 . 粤:二竺翌型: 以 焉一一 ‘一口‘? 式中,%,。,宅?及户与的计算式为: .,、幽一州再一序 西岛一厢 。 . 巧 一碣瓣一么孵矗?玛一厢 式中,为阀座孔研合宽度最大半径,;。为阀球半径,。 阀隙过流面积。,即图中圆台侧面积:如厅 厣粒 . 上?刀‰ 阀球 阀座 图球阀结构示意 ‘’