油氣混輸是深海油氣開采和輸運的基礎,是人類油氣資源戰(zhàn)略接替和國家能源安全保障的關鍵技術,已成為當今世界石油工業(yè)科技創(chuàng)新的前沿,并受到了人們的廣泛關注,尤其是深海油氣開發(fā)及輸送技術。多相混輸泵作為能夠同時輸送石油和天然氣的設備,成為了油氣混合資源開采和輸運的一項關鍵裝備。其中,螺旋軸流式油氣混輸泵由于輸送流量大、對含氣率較高的氣液兩相介質輸送能力強而被廣泛應用。但由于氣液兩相之間的密度差導致氣液混輸過程中氣液分離和流道堵塞等問題影響了油氣混輸泵的水力性能和可靠性。本文以自主設計的螺旋軸流式油氣混輸泵壓縮單元為基礎模型,利用歐拉多相流模型及SST k-?湍流模型對壓縮單元的水力性能及內部流場進行了數(shù)值預測,并根據(jù)外特性實驗結果驗證了數(shù)值模擬方法的準確性。為了研究葉片加厚規(guī)律和扭曲規(guī)律對混輸泵性能的影響,分別定義了氣相聚集度、加厚比系數(shù)來表征葉輪流道內氣相的聚集程度、葉片厚度由輪轂側到輪緣側的變化程度。通過調整加厚比系數(shù)值,得出具有不同加厚規(guī)律的葉輪方案。其次定義了扭曲度使得葉片具有不同的扭曲規(guī)律。通過模擬不同方案混輸泵的性能,對比分析了加厚比系數(shù)和扭曲度對油氣混輸泵壓縮單元外特性和內流特性的影響。主要研究結論如下:(1)在保持輪轂側最大厚度不變的情況下,混輸泵的揚程系數(shù)和效率隨著加厚比系數(shù)的減小而增大;(2)在相同輪轂側最大厚度的前提下,混輸泵葉輪流道內的氣相聚集度隨著加厚比系數(shù)的減小而降低,從而提高了混輸泵的氣液混輸性能;(3)葉輪流道內氣相的聚集程度隨著扭曲度的增大而減小,葉片扭曲度的增大也能提升混輸泵對氣液兩相的輸送能力;(4)變扭曲度葉片可以有效提高混輸泵的揚程、效率等外特性,具有扭曲度葉片的混輸泵外特性均比原始葉片的混輸泵高;(5)流道內湍動能梯度大的區(qū)域與氣相聚集的區(qū)域保持了相似性,氣相的聚集造成了流動的不穩(wěn)定,進而造成了流動損失,使得混輸泵的性能下降。本文的主要創(chuàng)新點:通過定義并調整加厚比系數(shù)及扭曲度來實現(xiàn)對葉輪的改型設計,并通過對比不同方案混輸泵的性能以總結葉片加厚與扭曲規(guī)律對混輸泵性能的影響;引入了氣相聚集度來表征氣相在葉輪流道內的聚集情況,更加直觀且量化地對氣相的聚集情況進行了表達。
【學位單位】：蘭州理工大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2020
【中圖分類】：TE974.1
【部分圖文】：

葉片加厚與扭曲規(guī)律對螺旋軸流式油氣混輸泵性能的影響-2-相混輸技術研究項目研究開發(fā)的一種混輸泵，也被稱為“海神泵”[6]。螺旋軸流式多相泵的結構簡圖如圖1.2所示。隨著油氣混輸技術在海洋石油輸運過程中的廣泛應用，相關學者相繼開展了對螺旋軸流式油氣混輸泵的研究。圖1.1雙螺桿泵結構簡圖圖1.2螺旋軸流式多相泵結構簡圖近年來隨著深海油氣資源的需求穩(wěn)定增加，高性能的油氣混輸泵作為深海油田開采及輸運的關鍵設備，受到相關單位越來越多的重視，對油氣混輸泵的研究也將有益于其在油田開采中的應用。螺旋軸流式多相混輸泵因為其具有可輸運較大流量的多相混合介質、對含砂等固體顆粒不敏感、結構簡單維修方便等優(yōu)點，被廣泛的應用于油田開采及輸運的混輸增壓設備。但是在螺旋軸流式油氣混輸泵輸運多相介質的過程中，由于入口含氣率的增大常常會使得流道中產生氣堵等現(xiàn)象影響流動，從而造成混輸泵性能的下降，因此研究高含氣率工況下混輸泵的流動特性，提高在高含氣率工況運行時混輸泵的混輸性能，也成為了目前對油氣混輸泵相關研究的熱點。本課題通過對高含氣率工況下具有不同加厚規(guī)律與扭曲規(guī)律葉片的混輸泵進行數(shù)值模擬，得出葉片加厚規(guī)律及扭曲規(guī)律與混輸泵性能變化之間的關系，從而為提高混輸泵的水力性能和氣液兩相的混合輸運能力，降低流道內的氣液分離程度，改善流道內的氣相聚集現(xiàn)象提供可靠的參考依據(jù)。1.3國內外相關研究現(xiàn)狀1.3.1油氣混輸泵相關研究

葉片加厚與扭曲規(guī)律對螺旋軸流式油氣混輸泵性能的影響-2-相混輸技術研究項目研究開發(fā)的一種混輸泵，也被稱為“海神泵”[6]。螺旋軸流式多相泵的結構簡圖如圖1.2所示。隨著油氣混輸技術在海洋石油輸運過程中的廣泛應用，相關學者相繼開展了對螺旋軸流式油氣混輸泵的研究。圖1.1雙螺桿泵結構簡圖圖1.2螺旋軸流式多相泵結構簡圖近年來隨著深海油氣資源的需求穩(wěn)定增加，高性能的油氣混輸泵作為深海油田開采及輸運的關鍵設備，受到相關單位越來越多的重視，對油氣混輸泵的研究也將有益于其在油田開采中的應用。螺旋軸流式多相混輸泵因為其具有可輸運較大流量的多相混合介質、對含砂等固體顆粒不敏感、結構簡單維修方便等優(yōu)點，被廣泛的應用于油田開采及輸運的混輸增壓設備。但是在螺旋軸流式油氣混輸泵輸運多相介質的過程中，由于入口含氣率的增大常常會使得流道中產生氣堵等現(xiàn)象影響流動，從而造成混輸泵性能的下降，因此研究高含氣率工況下混輸泵的流動特性，提高在高含氣率工況運行時混輸泵的混輸性能，也成為了目前對油氣混輸泵相關研究的熱點。本課題通過對高含氣率工況下具有不同加厚規(guī)律與扭曲規(guī)律葉片的混輸泵進行數(shù)值模擬，得出葉片加厚規(guī)律及扭曲規(guī)律與混輸泵性能變化之間的關系，從而為提高混輸泵的水力性能和氣液兩相的混合輸運能力，降低流道內的氣液分離程度，改善流道內的氣相聚集現(xiàn)象提供可靠的參考依據(jù)。1.3國內外相關研究現(xiàn)狀1.3.1油氣混輸泵相關研究

葉片加厚與扭曲規(guī)律對螺旋軸流式油氣混輸泵性能的影響-10-翼型的加厚規(guī)律對混輸泵葉片進行加厚，791翼型的厚度變化規(guī)律如表2.2所示：表2.2791翼型加厚規(guī)律x/l00.050.0750.10.20.30.40.50.60.70.80.90.951δ/δmax00.2960.4050.4890.7780.920.97810.880.7560.5440.3560.20表中x為距離翼型進口處的長度，l為翼型的弦長，δ代表對應于位置x處的厚度，δmax為翼型的最大厚度。791翼型示意圖如圖2.1所示：圖2.1791翼型本文選取了輪緣到輪轂的5個圓周截面，根據(jù)以上計算所得的各個翼型參數(shù)可畫出各圓周截面的翼型展開圖，并對各截面的翼型進行葉片表面的光滑性檢查。經過計算，葉輪的主要結構參數(shù)如表2.3所示：表2.3葉輪主要結構參數(shù)主要結構參數(shù)量值葉輪直徑D(mm)150葉輪葉片數(shù)Z4輪轂半錐角γ(°)6軸向長度e(mm)55葉片進口安放角β1(°)10葉片出口發(fā)放角β2(°)142.2.2葉輪模型建立利用三維制圖軟件，將所得的各圓周截面的二維翼型展開圖轉化成為三維結構圖，并繪制葉輪的水體圖。葉輪的結構圖和水體圖如圖2.2所示：
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