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入口含气率对混输泵性能及内部气液两相分布形态影响机理研究

李晨昊  
【摘要】:随着国家经济和工业高速发展对能源的需求与日俱增,化石能源开采逐渐向深海油气资源迈进,多相混输泵成为将海洋油气资源输送至陆上的重要生产设备。但由于海洋工作环境和输送介质的特殊性,导致混输泵内部流态极其复杂,同时泵的性能受含气率影响巨大,极端工况下甚至威胁混输泵机组的安全稳定运行,造成不可估量的损失。本文以自主研发的多相混输泵为研究对象,建立多相混输泵实验测试系统,开展了混输泵气液两相瞬态流动特性研究,采用数值模拟与试验相结合的方式,探究了不同含气率工况下混输泵的气液两相流动特性和水动力学特性。主要研究内容和结论如下:针对低比转速多相混输泵的理论设计落后和高含气率条件下性能较差的问题。通过优化混输泵叶轮结构设计和动静连接形式的方法,确定了叶轮和扩压器几何参数。结合数值模拟结果和气液两相流试验结果,分析了叶片几何参数与混输泵性能之间的关系,完成了混输泵模型的开发和样机的研制。在纯液工况和变含气率工况下对多相混输泵进行试验研究,结果表明:在纯液和气液两相工况下,混输泵的性能满足设计要求,建立了含气率与混输泵扬程的关联关系,并阐明了试验结果与数值模拟结果存在误差的原因;研究了转速对混输泵增压性能影响,结果显示增加转速可以有效的提高混输泵的增压能力,但随着含气率的上升,增加转速对于提高混输泵增压能力有限。通过对三级混输泵全流道数值模拟,明确了多级混输泵内部瞬态流动特性变化过程。分析了纯液工况和气液两相流工况下,叶轮进出口处相对叶流角的变化规律,同时,明确了混输泵扬程和效率随含气率改变的变化规律。通过对叶轮和扩压器内部压力脉动特性分析,揭示了混输泵增压单元内压力脉动主频幅与值含气率之间的关联关系。在额定流量工况下,揭示了叶轮和扩压器上瞬态轴向力随含气率的变化过程,建立了平均轴向力与含气率之间的函数关系,为混输泵安全稳定运行提供—定参考。分析混输泵内部相态分布规律和气团形态变化过程,建立了含气率与液相流场参数及叶片荷载之间的关联关系,揭示了混输泵内流动特性发生复杂变化的根本原因。在变流量和含气量时,气相体积分数在动静干涉区域内变化剧烈,这导致导流腔连接段和扩压器内水力损失增加,但增加液相流量可有效改善导流腔内气液两相流动状态,减小水力损失。通过分析流量和含气率变化对叶轮叶片表面压力和流动轨迹的影响,阐明了气液两相流时叶轮内的压力变化规律和叶片表面流动轨迹演化过程,进而明确了混输泵内部瞬态流动特性演变规律。


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