单缸双作用往复式油气混输泵的几何理论与排出特性研究

张冰喆，宋绪丁

（长安大学工程机械学院，陕西西安710054）

单缸双作用往复式油气混输泵的几何理论与排出特性研究

张冰喆，宋绪丁

（长安大学工程机械学院，陕西西安710054）

提出了一种新型的单缸双作用往复式油气混输泵，介绍了该泵的结构特点和工作原理。针对单缸双作用往复式油气混输泵的运行工况，利用Fluent软件建立混输泵排出过程的数值模型。通过数值分析，得到了排出过程的流场压力分布与混输泵的瞬时排出流量。为之后样机的制造提供了数据支持，并为进一步研究往复式的油气混输泵提供了参考依据。

单缸双作用往复式油气混输泵；几何理论；排出特性

自从20世纪80年代，国外开始以各大科研机构、石油公司和设备公司多方联合的方式，投入大量的人力物力进行多相混输技术的研究，已经陆续研发出了“海神”系列螺旋轴流式多相混输泵、多级离心混输泵系统、膜片式混输泵等一系列混输泵产品[1]。国内方面从20世纪90年代开始地面螺旋式混输泵的研究工作[2]，也产生了不同类型的泵，关于混输泵的研究主要是对现有的泵进行优化改造和开发新型结构的机型，以致力于提高泵的工作性能和降低制造的成本[3]。

本文提出了一种新型的单缸双作用往复式油气混输泵，该泵结构简单、摩擦磨损小，可以满足油田生产的油气混输及伴生气回收利用的要求。本文主要讨论该泵的几何理论、工作原理及结构特点，为进一步的仿真优化和样机的制造提供了理论和数据依据。

1 单缸双作用往复式油气混输泵的结构分析

1.1 工作原理和结构特点

图1显示了单缸双作用往复式油气混输泵的基本结构和工作特点，由图1可见，单缸双作用往复式油气混输泵由活塞、缸体、气相单向阀体及液相单向阀体等组成。液相单向阀与气相单向阀均与缸体相通，中间由活塞隔断，这样便在刚体内形成了两个工作腔，分别是进液腔和进气腔。该泵的动力端采用的是曲轴旋转机构，油泵工作时，活塞由曲轴结构带动做往复运动。活塞由曲轴带动向右运动时，进液腔的工作压力减小，原油被吸入缸体内。与此同时，进气腔工作压力增大，气体被压出刚体。同理，活塞由曲轴带动向左运动时，气体被吸入缸体，同时原油被压出缸体。

图1 单缸双作用往复式油气混输泵的基本结构

单缸双作用往复式油气混输泵有以下独特的优点：

（1）结构简单，容积效率高。由于活塞和缸体内孔都是圆柱表面，容易得到高精度的配合，密封性能好，在高压下工作仍能保持较高的容积效率和总效率。

（2）摩擦磨损小，运行寿命长。进液腔和进气腔共用一个缸体，当活塞做往复运动时，进液的原油既是传动介质，又起到润滑的作用，使液压系统具有刚性。

（3）散热效率高。在混输泵的运行过程中，进气腔的气体压缩会产生大量的热量，气体被压出缸体后，随后进入的液相原油会对缸体产生一定的降温作用，防止泵体部件持续受热造成过热变形甚至损坏。

（4）易于加工，成本低。单缸双作用往复式油气混输泵的主要零件的表面形状为圆，因此极易保证加工精度，也易于装配和检修，特别是不存在偏心运动的曲轴，加工成本低。

1.2 原始设计参数

由图1中可以看出，活塞将缸体分成了2个独立的工作腔，两个工作腔都设有进出阀，并且两个工作腔的工作过程互不影响，因此可以将混输泵的工作过程分别看作是两个单缸单作用往复泵的工作过程。

本文所研究的单缸双作用往复式油气混输泵的缸套内径D=0.1 m，冲程D=0.3 m，冲次n=30 min-1.

1.3 数值分析

（1）几何模型建立。为了便于建模，简化缸筒为长方形，忽略支撑装置。由于支撑装置只起到对设备的支持作用，对泵效没有影响，因此在建立模型时可以忽略它。而单缸双作用往复式油气混输泵泵腔是规则的圆柱体，把它简化为长方形是合理的。根据原始设计参数，在DM模块中建立流场的平面几何模型并命名边界条件。

（2）计算域网格划分。先取工况较为复杂的进液腔进行研究。将在DM模块中建立的平面几何模型导入Mesh模块中进行网格划分。流场选用用四面体非结构化网格，再利用Ansys Workbench软件中自带的功能对流场进行自动网格划分[4]。

（3）流场边界条件划分。进液单向阀和出液单向阀的开启和关闭都是由于阀体受到的压力变化引起的，所以可以用压力边界条件来代替。考虑到气体易于压缩，导致密度产生变化，故入口边界条件采用质量流量入口（mass-flow-inlet）边界条件，可以给定质量流量和入口压力。出口边界条件采用压力出口（pressure-outlet）边界条件，出口压力为3 MPa.壁面边界条件采用标准的壁面（wall）边界条件。

2 数值分析与结果处理

根据CFD软件分析流程，先将流场网格文件导入到Fluent模块中进行流场计算。采用Standard k-ε模型、Mixture多相流模型，设置液相介质为原油，气相介质为甲烷，介质参数如表1所示。往复泵工作过程中流体域的更新通过Fluent中动网格技术实现。阀体的运动通过用户自定义函数（UDF）编写程序，控制运动边界在各个时段的速度。

表1 介质参数

在冲次n=30 min-1，吸入压力ps=0.3 MPa，排出压力pd=3 MPa的条件下，对单缸双作用往复式油气混输泵进行的运行进行仿真分析。下面对泵的排出过程进行分析。

2.1 排出过程中流场内的压力分布

图2所示为活塞运动到不同行程时泵缸体内流场的压力云图，活塞对流体做功，流体进入流道后压力逐渐升高，直至液体出口处压力达到最大，当压力大于出液单向阀的开启压力后，阀门开启。阀门开启后流道内的压力瞬间得到释放，随后压力逐渐趋于平稳。矩形流场的四角压力偏大，整体压力呈现出对称性。

图2 排出过程压力云图

2.2 排出过程中的瞬时流量

往复泵的实际流量受很多因素的影响，阀门密封面的泄露、阀门关闭造成的回流损失等都有可能对实际流量造成影响，在不考虑流体的压缩性和惯性时，排出泵的流量为：

Q=vf（1）

式中，v为活塞的运动速度（m/s）；f为活塞的端面面积（m2）。图3所示曲线分别为按式（1）和CFD方法计算的瞬时排出流量。由图3可以看出，进液腔瞬时排出流量的CFD计算结果与理论值在排出过程的前半程基本吻合，在后半程，CFD结果大于理论值。这是因为CFD计算时考虑了流体的运动惯性及压缩性引起的。

图3 进液腔瞬时排出流量

3 结束语

综上分析，得出：

（1）排出过程的数值模拟需要将活塞及排液阀一起进行建模，并采用动网格方法解决由活塞运动引起的计算区域变化的问题。

（2）在单缸双作用往复式油气混输泵的阀门开启瞬间，流道内的压力迅速增大，出口处最大压强比活塞处的最大压强高1.2×106MPa，矩形流场的四角压力偏大，整压力呈现出对称性。

（3）在单缸双作用往复式油气混输泵排出过程的下半程，流体的运动惯性和压缩性导致进液腔瞬时排出流量的CFD计算结果的CFD结果大于理论值，理论排液量是CFD计算排液量的0.91倍。

[1]李军峰.油气混输泵的研究与发展[J].辽宁化工，2011，40（9）：980-949.

[2]李松山，曹锋，邢子文.海底油气多相混输泵的研究与应用[J].流体机械，2011，39（3）：40-44.

[3]杨旭，屈宗长，吴裕远.同步回转式混输泵的工作原理与动力特性研究[J].西安交通大学学报，2010，44（5）：60-65.

[4]纪冰冰，陈金瓶.ANSYS ICEM CFD网格划分技术实例讲解[M].北京：中国水利水电出版社，2012.

Geometric Theory and Discharging Performance of the Single Cylinder Double-action Oil-gas Multiphase Reciprocating Pump

ZHANG Bing-zhe，SONG Xu-ding
（School of Construction Machinery，Chang’an University，Xi’an Shaanxi 710054，China）

A new is proposed and its structural characteristics and working principle are described.Aiming at the operation condition of the single cylinder double-action oil-gas multiphase reciprocating pump.Fluent was used to establish numerical value of the process of discharge.By numerical calculation，get the pressure distribution on the flow field and the instantaneous discharge flow rate of the pump.The results can provide support for prototype manufacture，in the same time，it can provide provides a reference for the study of reciprocating gas-oil multiphase pump in the future.

single cylinder double-action oil-gas multiphase eeciprocating pump；geometric theory；discharging performance

TH321

：A

：1672-545X（2017）01-0151-03

2016-10-29

张冰喆（1992-），女，山东人，硕士研究生，研究方向：油气混输泵。