叶片圆盘泵变转速性能试验研究

周昌静，陈国明

试验研究

叶片圆盘泵变转速性能试验研究

周昌静a，b，陈国明b

（中国石油大学（华东）a.化学工程学院；b.海洋油气装备与安全技术研究中心，山东 青岛266580）

为研究海底泥浆举升叶片圆盘泵样机变速性能，进行了不同转速叶片圆盘泵性能试验，得到样机不同转速下的性能曲线，并与比例定律换算得到的性能进行了比较、分析，得出一定转速范围内叶片圆盘泵相似工况点的对应参数（Q，H，N）满足比例定律关系。平坦的H-Q曲线和恒定出口压力n-Q曲线说明，叶片圆盘泵适合海底泥浆举升钻井泥浆的举升和海底井口压力的控制。

叶片圆盘泵；变速；比例定律；性能试验

海底泥浆举升泵是海底泥浆举升钻井技术中的关键设备之一［1-2］，钻井作业时安装在海底完成海底泥浆举升和海底井口压力的控制。海底泥浆举升钻井要求海底泥浆举升泵能够有宽的流量工作范围，以保持海底泵的入口压力，即如果井筒环空压力开始升高，海底泵应该在高的流量下运行以保持入口压力为预先设定值。如果井筒环空压力下降，海底泵流量速率必须下降以保持入口压力在预先设定值。而且在该种恒定环空压力工作模式下，要求海底泵的流量调节应保证泵扬程变化不大，即不同流量下泵扬程都要满足泥浆从海底到海面的举升。这种恒定的环空压力工作模式是通过控制海底泵的转速实现的。因此，举升泵转速变化对举升泵特性影响的研究就非常必要。叶片圆盘泵作为一种叶轮结构特殊的新型离心式泵，因具有性能曲线平坦、无堵塞性能好、叶轮受磨损程度小等优点，在海底泥浆举升钻井技术中得到了广泛应用［3-4］；但因叶片间存在无叶区，其工作原理与一般离心泵不同［5-6］，对其变速性能还没有见到相关的研究。本文对自行设计的叶片圆盘泵样机进行变速性能试验研究，并将变速试验结果与比例定律计算结果进行对比。

1 比例定律

当同一台泵转速由n1变为n2时，若输送的介质不变，根据相似定律，则在不同转速下相似工况点对应参数与转速之间的关系为

式中：Q为体积流量，m3／s；H 为扬程，m；N 为功率，k W；n为泵轴每秒旋转的次数，r／s。

上述3个公式即为比例定律表达式［7］，它们表示对同一台泵在相似工况下的Q、H、N与n之间的比例关系。对于满足比例定律关系的泵，输送液体相同时，相似工况点的效率大致相等，可用上述3个公式进行不同转速下性能曲线的换算。

2 试验样机及试验方法

试验所用样机叶轮如图1所示，圆盘数为2，叶片为放射形直叶片，每个盘上叶片数为8。叶轮外径D＝319 mm，内径d＝125 mm，盘间距S＝50 mm。用于试验的流体介质为水，通过变频器调节泵的转速，在每一转下通过电磁阀调节泵的流量，对应每一次调节相应采集泵的流量、进、出口压力、转速、转矩，按文献［8］的数据处理方法得到泵在不同转速下的性能曲线。

图1 试验样机叶轮

3 试验结果及分析

不同转速下的H-Q性能曲线如图2所示。相同流量下，扬程变化值随转速的下降而降低，从关死点（零流量）开始，扬程随流量的增加下降很小，各转速下H-Q特性曲线都很平坦。

图2 H-Q变速特性曲线

图3 为不同转速下H-Q性能按照比例定律换算到2 900 r／min的H-Q曲线，其中：2 400、2 600、2 800 r／min的H-Q特性曲线换算后与2 900 r／min的H-Q特性曲基本重合，随转速的变化规律满足比例定律。相对于其他转速，1 450 r／min的H-Q曲线换算到2 900 r／min后与实测2 900 r／min的H-Q曲线存在一定偏差。

图3 按比例定律不同转速换算到2 900 r／min的H-Q曲线

图4 为不同转速下的N-Q性能曲线，相同流量下轴功率随转速的增加而增加；在同一转速下，轴功率随流量增加而增加。图5为不同转速下N-Q性能按照比例定律换算到2 900 r／min的N-Q曲线，其中：2 400、2 600、2 800 r／min的轴功率与流量特性曲线换算后与2 900 r／min的轴功率与流量特性曲基本重合，随转速的变化规律符合比例定律。1 450 r／min的N-Q曲线换算后略大于实测的2 900 r／min的N-Q曲线，而1 450 r／min的H-Q曲线换算到2 900 r／min后略小于实测2 900 r／min的H-Q曲线。若不考虑效率，按有效功率（ρgQH）似乎有些矛盾，分析认为举升泵在降速后由于泵的机械损失并不随转速的立方下降。因此，降速后的轴功率较按比例定律换算的轴功率略偏大。

图4 N-Q变速特性曲线

图5 按比例定律不同转速换算到2 900 r／min的N-Q曲线

图6 η-Q变速特性曲线

图7 按比例定律不同转速换算到2 900 r／min的η-Q曲线

举升泵不同转速下η-Q性能曲线如图6，可以看出：在试验流量范围内，在同一转速下，效率随流量增加而增加。这是因为试验流量小于设计流量（最高效率点流量），相同流量下效率随转速的增加而降低，因为按比例定律相等的效率点应满足Q1∶Q2＝n1∶n2，因此在流量小于最高效率点流量时，相同流量下转速低，效率高。

图7为不同转速下η-Q性能按照比例定律换算到2 900 r／min的η-Q曲线，其中2 400、2 600、2 800 r／min的效率与流量特性曲线换算后与2 900 r／min的效率-流量特性曲基本重合。1 450 r／min性能换算后与2 900 r／min偏差较大，按照比例定律，在转速变化后，认为泵的相似工况点效率基本保持不变。这是根据泵的相似律假设转速变化时，相似工况点机械效率、容积效率和水力效率均保持不变而得出的。实际上，这一假设仅在转速变化不超过一定范围内才适用的，在转速变化较大时，各项效率均有变化；因此，随泵转速下降，泵的效率亦发生相应改变。

海底泥浆举升钻井中通过调节转速来调节流量，保证海底泵的入口压力等于海水静压力，因为举升高度不变，在忽略流量不同产生的管阻损失差别的条件下，可以认为举升扬程不变，即举升泵在转速变化改变流量保持入口压力的同时，还要满足泥浆举升高度（出口压力恒定）要求。

举升泵保持出口压力恒定条件下的转速-流量（n-Q）曲线如图8，可以看出：在试验流量范围内，在出口保持压力恒定条件下，流量随转速增加而增加，在关死点（零流量）保持1.2 MPa泵需要在2 811 r／min下运行，在流量达到120 m3／h时，保持1.2 MPa出口压力泵需要在2 864 r／min下运行。可见在通过调节转速调节泵流量的同时要满足1.2 MPa的举升压力时，泵的转速变化范围不大，这有利于提高通过调节转速来调节流量保证海底泵入口压力的响应时间。

图8 出口压力恒定时n-Q曲线

4 结论

1） 通过叶片圆盘泵样机变速性能试验，得到了不同转速下叶片圆盘泵的性能曲线 （H-Q，N-Q，η-Q），以及出口压力恒定条件下的n-Q关系曲线。

2） 一定转速范围内叶片圆盘泵相似工况点的对应参数（Q，H，N）满足比例定律关系，满足比例定律关系的相似工况点效率基本保持不变。

3） 平坦的H-Q性能曲线和恒定出口压力n-Q关系曲线说明，叶片圆盘泵适合海底泥浆举升钻井海底泥浆的举升和海底井口压力的控制。

4） 试验证明：叶片圆盘泵在一定转速范围内满足比例定律关系，为后续建立叶片圆盘泵变速数学模型打下了基础。

［1］ 殷志明，陈国明，蒋世全，等.深水海底泥浆举升钻井技术［C］／／我国近海油气勘探开发高技术发展研讨会论文集，2005：582-589.

［2］ 殷志明，陈国明，王卓显，等.深水海底泥浆举升钻井技术及其应用前景［J］.钻采工艺，2006，29（5）：1-4.

［3］ Smith K L，Gault A D，Witt D E，et al.SubSea Mud Lift Drilling Joint Industry Project：Delivering Dual Gradient Drilling Technology to Industry ［G］.SPE 71357，2001.

［4］ Eggemeyer J C，Akins M E，Brainard P E.9 SubSea Mud Lift Drilling：Design and Implementation of a Dual Gradient Drilling System［G］.SPE 71359，2001.

［5］ 陈永超，陈国明，李伟，等.一种抗磨损多级圆盘泵结构设计［J］.石油矿场机械，2013，42（10）：25-28.

［6］ 王少平，高本金，尹树孟，等.圆盘泵叶轮结构参数正交优化分析［J］.石油矿场机械，2012，41（6）：58-62.

［7］ 关醒凡.现代泵技术手册［K］.北京：宇航出版社，1995：44-45.

［8］ GB3216—2005，回转动力泵水力性能验收试验［S］.

Experimental Study on the Effect of Different Speed to the Performance of Disk Pump with Radial Straight Blade

ZHOU Chang-jinga，b，CHEN Guo-mingb
（a.College of Chemical Engineering；b.Centre for Offshore Engineering and Safety Technology，China University of Petroleum，Qingdao 266580，China）

To study the performance of disk pump with radial straight blade for subsea mudlift drilling when changing speed，performance tests of pump were done at different speeds and performance of pump at different speeds were converted to performance of pump by proportionality law.The results show that the corresponding parameters（Q，H，N）to meet the proportionality law relationship in a certain speed range.Flat H-Q curve and n-Q curve at constant outlet pressure shows disk pump with radial straight blade is suitable for lifting mud and controlling subsea wellhead pressure for subsea mudlift drilling.

disc pump with radial straight blade；different speeds；proportionality law；performance tests

TE952

A

1001-3482（2014）03-0060-04

2013-09-17

中央高校基本科研业务费专项资金资助（13CX02067A）

周昌静（1978-），男，吉林长岭人，讲师，博士，主要从事海洋油气装备及流体机械研究，E-mail：zhouchangjing78＠163.com。