海上平台用高效海水提升泵结构设计与内部流场特性分析.pdf

2023年第3期小原根木海上平台用高效海水提升泵结构设计与内部流场特性分析杨天郁（海油发展装备技术公司，天津300452)摘要：海水提升泵是海上采油平台的重要设备。目前急需开发适用于海上平台的高效海水提升泵。为此针对海洋使用工况，设计了海水提升泵的叶轮和导叶，并对叶轮叶片出口边的角度进行优化。采用数值模拟方法分析了海水提升泵内的压力分布和流场变化。研究结果表明：随着叶轮径向距离的增加，流体压力逐步递增，叶轮增压效果良好。导叶在将流体的部分动能转化为压能的同时，将叶轮出口的流体有序引至下一级叶轮人口，且没有旋涡和流动紊乱现象发生。所设计海水提升泵的泵效率达到7 3.1%。研究内容对海水提升泵的发展有重要的意义和价值。关键词：海水提升泵结构设计数值模拟内部流场压力分布中图分类号：TH311文献标识码：A石油天然气是重要的战略资源，对我国发展和国民生活至关重要1。随着石油天然气需求量的增加，各国对深海中稀有矿物和石油能源的开发更加迫切。海洋平台是油气海上开采最基础、最重要的设备，海水提升泵作为海上采油平台海水提升的重要设备，对海洋平台的消防以及各系统的冷却起着至关重要的作用2-3海水提升泵主要由叶轮、泵体和泵轴等部件组成4。电机带动转轴转动，随着转轴转动，泵壳内的叶轮进行高速旋转运动，流体在离心力的作用下，从叶轮的出口流人下一级导叶中，最终被排出泵外。海水提升泵的结构是决定其性能的重要因素之一。TANLei等5提出一种新型出口安装角沿径向分布的三维空间导叶，有效地增加了离心泵的高效工作区。平俊等6 提出了一种新型双作用叶片泵，减少了叶片表面接触的摩擦副，改善了叶片的受力状况，提高了海水提升泵的使用寿命。张人会等7 采用理论和数值模拟相结合的方法，研究了导叶的叶片结构、包角等参数和导叶内部流体分布间的关系。赵虎坡等8 通过优化叶轮结构、选取*基金项目：中海油能源发展重点攻关科技项目“恶劣工况下海水提升泵组的优化设计与应用”叶轮材料降低了海水泵的能耗，提高了海水泵叶轮的寿命。刘超等9 采用理论计算对VSI混流海水泵的结构进行优化，优化后的海水泵泵效为8 5%87%。海水提升泵的内部结构复杂，需要研究其内部流场。WANGFu-jun等10 针对低温潜水泵输送液化天然气容易产生汽蚀气穴的现象，建立了不同汽蚀模型计算汽蚀流的能量损失。GolciM等11分析了叶轮叶片数和叶片长度与潜水泵性能的关系，研究结果表明由于叶片厚度和流道的堵塞导致潜水泵效率降低，并发现在长叶片间配置短叶片可缓解因长叶片过多而造成的效率降低的问题。王彦伟等12 采用单向流固耦合方法研究离心泵叶轮在启动过程及流体作用下叶片的动态特性，发现在瞬态流动时，叶轮所受瞬态径向力为周期性变化，在频率为10 1.6 7 Hz、6 10 H z 时，叶轮易出现振动失稳现象。程效锐等13采用数值模拟方法，研究了五种叶顶间隙下的叶顶泄漏流对离心泵的内部流动影响，发现随着叶顶间隙的减小，离心泵的扬程和效率均有所上升。朱相源等14基于切应力输运模型，采用数值模拟方法研究大流量工况下，动静干涉对离心泵内部流态的影响。综上所述，目前海上采油平台用海水提升泵效率低，制约了海上采油平台的生产效率。因此，如2023年第3期小原枝术何提高海水提升泵的效率成为该领域的关键技术。针对上述问题，本文采用理论设计和数值模拟相结合的方法，设计了一种新型高效海水提升泵，采用数值模拟方法分析了海水提升泵内部压力分布和流场变化，研究内容对海上平台用海水提升泵的发展具有重要意义和价值。1海水提升泵结构设计1.1结构设计叶轮和导叶是海水提升泵的核心结构。本文以单级扬程14m、流量40 m/h、转速2 9 0 0 r/min的海水提升泵为研究对象，通过对叶轮和导叶的轴径、叶轮和导叶的流道设计以及叶轮叶片和导叶叶片各个截面的进出口安放角、包角等几何参数的确定，设计叶轮和导叶的三维结构，如图1所示。叶轮及导叶的具体参数如表1所示。1.2叶轮叶片出口边的角度优化设计为了提高叶轮的效率，对叶轮出口边的角度进（a）海水提升泵叶轮结构（b）海水提升泵导叶结构图1海水提升泵叶轮和导叶结构表1叶轮和导叶结构参数项目参数叶轮轴径/mm25叶轮人口直径/mm78叶轮出口直径/mm118叶轮出口宽度/mm13.5叶轮高度/mm34导叶人口直径/mm120导叶出口直径/mm100导叶高度/mm60行优化设计。分别对出口边角度为0、2 5.8 12.9的不同流道叶轮叶片进行设计，三维结构如图2 所示。三种出口角出口面积与进口面积的比为1.2 2、1.4和1.3，随着出口边角度的增大，出口面积逐渐增加。虽然面积比越来越大，但出口边角度较大的叶轮与导叶连接处不光滑，因此本文中所设计叶轮出口边的角度为12.9 2数值计算模型和方法2.1三维模型以单级海水提升泵为研究对象，对其流体域进行三维建模，如图3所示。海水提升泵的流体域主要包括进水段、叶轮、导叶和出水段。2.2控制方程海水提升泵内的流体流动遵循连续性方程、动（a）0 叶片出口边角度（b）2 5.8 叶片出口边角度（c）12.9 叶片出口边角度图2不同出口角叶轮叶片结构2023年第3期小原枝木术导叶叶轮进水段出水段流动方向流动方向图3海水提升泵流体域量方程和能量方程。连续性方程：e+V(pu)=0(1)at式中，P与（pu）为单位体积内质量的增量at与净流出。动量方程：+(u.V)u=f-Vp(2)atP式中，为局部惯性力；（）为对流惯性at力；于为质量力；一Vp为压强差。P能量方程：dpT(puT)+(puT)2+a(puT)atxdy(3)kaTkaTkaT+ST十xCc,ayc,zPP式中，c，为比热容；T为温度；k为传热系数；ST为黏性耗散项2.3网格划分及网格无关线性验证网格的质量直接影响到数值模拟计算的准确性。采用自适应性较好的非结构化网格对全流道的各段流体域进行网格划分，并对叶轮叶片和导叶的固定叶片进行网格加密。同时，为了提高数值模拟的计算速度，对网格进行无关线性验证，最终确定进水段网格单元数为2 2 2 56 8 2，网格节点数为375838；叶轮网格单元数为18 30 8 2 5，网格节点数为317 334；导叶网格单元数为30 0 7 12 4，网格节点数为52 56 56；出水段网格单元数为3317 48 3，网格节点数为559 19 6。各部件和流体域整体网格划分结果如图4所示。2.4边界条件设置边界条件采用压力进口，质量流量出口，其中，进口压力为1atm，出口质量流量为11.0 8 9 kg/s。介质设置为水（密度为9 9 8 kg/m），转速设置为2900r/min。R N G k-瑞流模型在标准k-模型的基础上修正了流粘性系数，提高了湍流模型的精度。因此，本次计算采用具有标准壁面函数的RNGk-瑞流模型。在模拟计算中，进水段、导叶和出水段均设置为静流体域，叶轮设置为旋转域。因此，进水段出口与叶轮进口、叶轮进口与导叶进口间的交界面设置为动静交界面，导叶出口与出口段进口设置为静静交界面。为了提高计算的准确性，对流项选取二阶迎风格式进行离散，扩散项选取一阶迎风格式进行离散。求解收敛的残差标准设置为最大残差值110-。数值模拟计算设置如图5所示。(a)叶片网格(b）导叶网格（c）流体域整体网格图4海水提升泵网格2023年第3期小原枝术00.0500.100(m)0.0250.075图5数值模拟计算设置3海水提升泵内部流场结果分析3.1压力场分析3.1.1全流道压力分析子午中心截面位置及其压力分布如图6 所示。从图中可以看出，沿流动方向，流体在流道内的压力梯度变化明显。在流经叶轮时，叶轮对流体做功，流体获得动能和压能，随着叶轮径向距离的增加，流体压力逐步递增，且在叶轮出口处达到最大值；随后流体进人导叶，导叶将流体的部分动能进一步转化为压能，同时将水泵内流动紊乱的流体整流后引至出口处或下一级的叶轮进口处。经过首级叶轮后，出水段介质压力达到0.2 15MPa。从图中还可以看出，由于流体从叶轮流向导叶时，流体经子午截面（a）子午中心截面位置Pressurezwmpressure2.149e+052.014e+051.879e+051.744e+051.608e+051.473e+051.338e+051.203e+051.068e+059.325e+047.973e+04Pa（b）子午中心截面压力分布图6子午中心截面压力云图过叶轮的加速，其速度较大，造成流体冲击导叶的内壁面，因此在叶轮与导叶的交界处局部压力较大。3.1.2叶轮压力分析叶轮中心截面的压力分布如图7 所示。从图中可以看出，叶轮内压力沿径向呈现明显的梯度变化，且变化较为均匀。从流道入口到流道出口，流体压力逐步递增，且在流道出口处达到最大值0.197MPa，叶轮达到增压的目的。叶片工作面的静压值要明显大于叶片背面的静压值。在叶片的进水边位置处存在局部低压区，易发生汽蚀。在叶轮出口处，由于叶轮对流体的捕捉能力减弱，且导叶影响叶轮出口处的流体流动，导致叶轮出口沿圆周方向压力分布不均匀，流态不稳定，在靠近叶片工作面的出口边形成局部高压区。3.1.3导叶压力分析导叶中心截面的压力分布如图8 所示。从图中可以看出，导叶内压力沿径向呈现明显的梯度变化，变化不均匀，在流道内存在局部低压区，流体流动紊乱，导致流动损失增加。从流道入口到流道出口，流体压力增加至0.2 12 MPa，压力逐步递增，导叶达到降速增压的目的。在导叶出口处，沿径向压力逐渐增大。3.2速度场分析图9 为叶轮和导叶中心截面的速度云图。从图9（a)可以看出，沿径向，速度逐渐增大，在叶轮叶轮人口截面叶轮中间截面叶轮出口截面（a）叶轮中心截面Pressureimpellermiddlepressure2.151e+051.968e+051.785e+051.603e+051.420e+051.237e+051.055e+058.718e+046.890e+045.063e+043.236e+04Pa（b）压力云图图7叶轮压力云图2023年第3期小原枝术导叶入口截面导叶中间截面导叶出口截面（a）导叶中心截面Pressuredymiddlepressure2.115e+052.090e+052.066e+052.042e+052.018e+051.994e+051.969e+051.945e+051.921e+051.897e+051.873e+05Pa（b）压力云图图8导叶压力云图Velocityimpellermiddlevelocity1.255e+011.129e+011.004e+018.783e+007.528e+006.274e+005.019e+003.764e+002.509e+001.255e+000.000e+00m/s（a）叶轮速度云图Velocity,dy middle velocity7.032e+006.329e+005.626e+004.923e+004.219e+003.516e+002.813e+002.110e+001.406e+007.032e-010.000e+00m/s（b）导叶速度云图图9速度云图出口处速度达到最大值为12.55m/s，流道内流体充分流动，叶片两侧流域流态稳定。叶片工作面的速度明显小于叶片背面的速度，且从叶片进口到叶片出口，叶片工作面上的速度逐渐增大，最终在叶轮出口处叶片工作面和背面的相对速度趋于一致。从图9（b)可以看出，从导叶入口至导叶出口，即从外圆到内圆，流体速度降低，导叶将部分动能转换成压能，起到了降速增压的目的。从导叶中间截面处可以看出，各流道内的速度分布不均匀，在导叶叶片两侧存在高速区域和低速区域，易发生流体流动分离和旋涡。3.3全流道及叶轮、导叶速度流线分析海水提升泵全流道、叶轮和导叶的速度流线场如图10 所示。从图10（a）可以看出，全流道流线分布均匀，紊流区域较少，整体流态较好。叶轮中任意两个相邻叶片间流场随流体运动的方向速度逐渐增大，各个流道间流体充分流动，没有出现旋涡和流动分离的现象，整体流态较好。在叶轮进口边的头部位置处存在流体的流动分离；高速区域集中在叶轮出口处。在导叶中间截面处可以看到各个流道存在一定的流动分离和旋涡。3.4海水提升泵性能海水泵的扬程和泵效如图11所示。扬程随时Velocityqld streamline1.622e+011.226e+018.298e+004.337e+003.756e-01m/s（a）全流道流线分布图Velocityimpellermiddlestreamline1.170e+019.195e+006.695e+004.194e+001.694e+00m/s（b）叶轮速度流线分布图Velocity,dy middlestreamline7.031e+005.285e+003.538e+001.791e+004.460e-02m/s（c）导叶速度流线分布图图10流线图2023年第3期小原技术14.414.314.214.114.013.913.813.70400800120016002000时间步（a）海水泵扬程74.574.073.573.072.572.071.50400800120016002000时间步（b）海水泵泵效图11性能曲线图间步在13.7 1 14.32 m之间小范围波动，平均扬程为14.0 6 m。泵效随时间步在7 1.8 1%7 4.0 1%之间波动，平均泵效为7 3.1%。4结论（1）研究了海水提升泵的特点，对叶轮和导叶的轴径、叶轮和导叶的流道进行设计，并确定了叶轮叶片和导叶叶片各个截面的进出口安放角、包角的几何参数，设计了海水泵的叶轮和导叶的三维结构。（2）通过改变出口宽度和出口直径对叶轮出口边的角度进行优化设计。发现随着出口边角度的增大，出口面积逐渐增加，但叶轮与导叶的连接处不光滑。最终叶轮出口边的角度确定为12.9（3）通过数值模拟的方法得到了海水提升泵内部的压力场和速度场。叶轮对流体作功，流体获得动能和压能，且随着叶轮径向距离的增加，流体压力逐步递增，且在叶轮出口处达到最大压力值。导叶将流体的部分动能进一步转化为压能，同时将水泵内流动紊乱的流体整流后引至出口处或下一级的叶轮进口处。所设计海水提升泵的泵效率为73.1%。参考文献1董晓雨，张海云，高鹏海洋平台海水提升泵的选型和选材J水泵技术，2 0 0 9（1)：41-42.2张文杰，魏玉莲。海上平台注水泵技术探究J流体机械，2017,45(10):51-53.3赵淑文，高鹏，高铭志，等海洋平台消防泵和海水泵选型分析石油和化工设备，2 0 11，14（9）：53-55.4巧张月，吴继平，刘金革，等海水泵系统选型研究J江苏科技信息，2 0 19，36（15）：6 5-6 7.5 TAN Lei,CAO Shu-liang,GUI Shao-bo.Hydraulic design andpre-whirl regulation law of inlet guide vane for centrifugal pumpJ.Science China Technological 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