电动潜油离心泵变工况下内流特性仿真研究

赵 宇，冯子明2，周瑞芬2，蒋召平，于法浩

(1.中海石油(中国)有限公司天津分公司 渤海石油研究院，天津 300452；2.东北石油大学 机械科学与工程学院，黑龙江 大庆 163318)

潜油电泵具有排量范围大、扬程高、地面设备占用面积和空间小、使用寿命长、适用于斜井、水平井和海上平台等特点，在国内外油田应用较为广泛。潜油电泵是多级离心泵，每级泵都由叶轮和导轮组成，并且导轮不转动，轴上安装的叶轮随着轴转动。随着油田采油生产的进行，油井产液会不断减少，而潜油电泵在产液量变化的情况，其扬程和效率都会发生变化。2004年，应光耀[1]分别在3种工况下，对扭曲和圆柱形叶片潜油电泵叶轮和导轮内流场进行了数值模拟。对于扭曲叶轮，在大流量和设计工况下，基本没有脱流、回流等二次流动现象。2009年，Barrios等人[2]提出了1个与转速和雷诺数有关的新的阻力系数，并对潜油电泵内的两相流进行了数值模拟。但是，这个结果与试验结果并不一致。使用新的系数时模拟结果与试验的流动情况一致，显示了相似的气体流动。2011年，黄志凌等人[3]对圆柱形和扭曲形潜油电泵的叶轮内部流场进行了数值模拟，从中捕捉到了潜油电泵内部许多重要的流动特征，这给泵的设计带来指导性的作用[4]，为其设计选型及改良提供了可靠依据。

1993年，日本的Sato等人对离心式闭式叶轮不同的入口、出口角对泵内气液两相流的影响做了研究[5-7]。坎皮纳斯州立大学的A. C. Bannwart试验研究了离心泵两相流时流体黏度对离心泵性能的影响。分析结果表明：在气体体积分数一定时，液体黏度增大对离心泵的性能影响明显，泵性能下降明显。由于在湍流强度较低时，液体黏度增加，导致流道内气泡破碎程度减小，增加了气泡聚集合并的程度，流道内容易产生较大的汽泡，影响泵内流动[8]。2010年，塔尔萨的F. E. Treviso将高速摄像机应用在电潜泵两相流受液相黏度及转速影响研究试验中，通过高速摄像拍摄到了流道内气泡的4个状态：气泡凝聚、气锁、气相分离和间歇性气相；指出提高转速可以缓解由于液体黏度增大而引起的气相堵塞流道现象[9-10]。2013年，王尊策等人[11]基于潜油电泵叶轮中出现的冲蚀磨损问题，采用CFD方法进行了数值模拟，得出潜油电泵叶轮中发生冲蚀磨损的规律和机理、以及固体颗粒在流道中的运动规律和冲蚀磨损发生的主要区域。

关于潜油离心泵的仿真研究成果比较少，而且没有发现基于潜油离心泵的变工况CFD研究。考虑到油井全周期生命过程中，以及注水井对潜油离心泵的变工况适应能力的要求，本文采用CFD技术对潜油离心泵的变工况性能进行了数值分析，为潜油电泵的内特性和外特性提供了一种科学的研究方法。

1 几何模型及数值模拟方法

选择Q10型潜油电泵为研究对象，额定转速为2 900 r/min。潜油电泵单级几何模型主要包括叶轮、导叶以及泵轴。图1和图2分别为潜油电泵的叶轮和导叶几何模型，叶轮和导叶的主要参数如表1所示。

表1 叶轮和导叶基本几何参数

图1 叶轮几何模型

图2 导叶几何模型

用IGG进行几何前处理，应用AutoGrid5进行单流道结构化网格划分，图3是单流道网格，网格总数为434 682，叶轮流道网格在下，导叶流道网格在上。经过网格质量的检查，无负网格，正交性范围为39.6～89.9°，长宽比范围为1～551，延展比范围为1～3.79，满足Numeca软件对网格质量的要求。

图3 单流道网格

潜油电泵额定转速为ne=2 900 r/min，设计工况Qe=120 m3/d。流体介质是水，密度为1 000 kg/m3，初始压力是101 300 Pa，初始温度是293 K，湍流模型选择S-A方程模型。进口边界条件设为速度，进口速度值可以根据流量计算；出口条件选择压力出口，压力值可以根据扬程计算；壁面边界条件都设为绝热无滑移壁面边界条件，叶轮上下盖板和叶片壁面设为转动壁面，给定转速，导叶壁面设为静止壁面。经过FINE/Turbo软件的计算，得到泵的外特性，以及应用CFView软件进行后处理操作，得到内流场的静压、总压、速度等的分布情况，并由后处理结果对内流场中的流体流动规律进行分析。

2 潜油电泵的外特性

根据数值模拟结果，绘制出泵外特性曲线，主要包括效率-流量曲线、扬程-流量曲线和功率-流量曲线，如图4。

图4 潜油电泵外特性曲线

由图4可知：效率是随流量的增加先升高，达到最大值后开始降低，也就是设计工况附近效率较高，非设计工况下效率较低，这是由于不同工况时泵内的能量损失不同。扬程是随着流量的增加而逐渐减小，并且在过流量工况时扬程损失越来越大，这是由于大流量时叶轮和导叶内的流体流动能量损失增大，导致扬程损失越来越大。功率是随着流量的增加而逐渐增大，说明随着流量增加，泵轴需要输出的功率也越大，而能量损失也越来越严重。

3 变流量工况下潜油电泵水力性能数值分析

本节将进行5组非设计流量工况下的潜油电泵内流场的水力性能数值分析，包括0.67Qe、0.83Qe、1.17Qe、1.33Qe和1.5Qe，并选择小流量工况为0.67Qe、设计工况为Qe和大流量工况为1.33Qe下的流场进行对比分析。

3.1 变流量工况下压力场对比分析

1) 叶轮壁面静压场对比分析。

图5和图6分别是在0.67Qe、Qe和1.33Qe3种流量工况下叶轮上、下盖板表面的静压分布，从图中可以看出，在3种工况下盖板表面的静压分布在大部分区域较为相似，但静压值是随着流量的增加而减小的，这与泵的扬程变化规律一致。在小流量工况下，叶轮内的静压分布较好；在大流量工况下，盖板进口和出口处的静压分布较为复杂，静压梯度不均匀，特别是在上盖板进口处出现了封闭的静压等值线，因而在叶轮进口处发生了三维流动，可能会产生较大的能量损失。

图5 叶轮上盖板表面的静压分布

图6 叶轮下盖板表面的静压分布

2) 叶轮叶片工作面和背面的静压分析。

图7和图8分别是在0.67Qe、Qe和1.33Qe3种工况下叶轮叶片工作面和背面的静压分布，对比发现，叶片表面静压值随着流量的增加而增加。但是，叶轮进口区域的静压分布越来越复杂，复杂区域明显增大，特别是在叶片背面前缘附近的区域。在1.33Qe工况下，叶片表面的静压等值线出现较大的弯曲，并且在叶片背面前缘处产生了横向的压力分布，因而会导致二次流的发生。同时，在叶片尾部的等值线更为密集，压力梯度较大，因而在1.33Qe工况下，叶轮内产生的能量损失较大。

图7 叶轮叶片工作面静压分布

3) 叶轮出口截面总压分布对比分析。

图9分别为0.67Qe、Qe和1.33Qe3种工况下叶轮出口截面的流体总压分布，从图中可以看到，3种工况下的流体总压是随着流量的增加而逐渐降低。在3种工况下均存在尾迹区，并且流体总压分布中均出现了封闭的总压等值线，说明叶轮出口处都出现了三维流动。但是，在0.67Qe工况下尾迹区附近的总压分布明显更为复杂，而在1.33Qe工况下叶片背面侧的流体总压分布中出现了更多的封闭总压等值线，因而在这两种工况下的能量损失较大。所以，在Qe工况下叶轮出口截面的流体总压分布更好。

图8 叶轮叶片背面静压分布

图9 叶轮出口截面的流体总压分布

3.2 变流量工况下速度场对比分析

1) 叶轮壁面速度场对比分析。

图10和图11是在0.67Qe、Qe和1.33Qe3种工况下叶轮上下盖板表面的相对速度分布。从图中可以看到，随着流量增加叶轮尾部的低速区明显减小。在3种工况下，叶轮盖板上均出现了封闭的等值线，说明流道内出现漩涡。在0.67Qe工况下，叶轮下盖板上的漩涡几乎占据了整个流道，这不仅会产生较大的能量损失，同时严重阻碍了流体的流动。在1.33Qe工况下，叶轮盖板上也出现了漩涡，因而在叶轮内也产生了较大的损失，并且在下盖板上旋涡附近出现了速度极小的低速区，同样阻碍了流体的流动。所以，在120 m3/d工况叶轮盖板表面的相对速度分布更好。

图10 叶轮上盖板表面的相对速度分布

图11 叶轮下盖板表面的相对速度分布

图12和图13是在0.67Qe、Qe和1.33Qe3种工况下叶轮叶片工作面和背面的相对速度分布。从叶片工作面的相对速度分布对比可以发现，1.33Qe工况下叶片工作面的相对速度分布要比另两种工况复杂得多，产生较多的封闭等值线和低速区，速度梯度较大，因而会产生较大的能量损失。从3种工况下叶片背面的相对速度分布对比发现，在0.67Qe工况下，叶片背面的相对速度分布更为复杂混乱。在1.33Qe工况下，叶片背面的速度等值线较为密集，速度梯度也较大。所以，在Qe工况下叶片表面的相对速度分布更好。

图12 叶轮叶片工作面相对速度分布

图13 叶轮叶片背面相对速度分布

4 结论

1) 以Q10型潜油电泵为研究对象，通过对变流量工况下潜油电泵水力性能数值分析，得到了多个工况的三维流场的分析结果，包括静压力场、总压分布、速度场等，从中捕捉到许多流场内的重要流动特征，得到了潜油电泵的外特性曲线。

2) 从变流量工况下潜油电泵内流场的对比分析表明：在小流量工况下叶轮流道内出现了较大的漩涡，占据了大部分流道；在大流量工况下叶轮流道内也存在漩涡，并且在漩涡附近存在较大面积的低速区，二者也占据了大部分流道，同时流道内的速度等值线较为密集；在设计工况下叶轮的流场都好于非设计工况下的流场。在非设计工况下，由于叶轮内流场的局部恶化，导致在非设计工况下泵的效率要低于设计工况下的效率。