基于计算机仿真的潜油泵叶导轮压力场优化分析

黄新春 李令喜 蒋召平 孙靖云 杜丹阳 李越

摘 要：潜油泵是海洋石油开采的主要设备，而叶轮和导叶是潜油泵的核心单元。本文主要采用计算机仿真的方法，对潜油泵的叶轮和导叶进行仿真分析，采用直观的方法分析压力场并作出优化改进。结果表明，叶轮和导叶流场中存在湍流动能损失，反映出最初设计时叶片的进出口安放角度与液流角度不吻合，可以作为参数改进依据;二次流场优化后，性能参数提高明显，效率最高可提高5个百分点，扬程最高可提高4m。二次改进如果未达到要求，可进行后续三次持续改进，直至达到预期效果。本文验证了叶轮导叶的流场优化分析的可行性，可为潜油泵性能优化改进提供理论基础，为相关产业提供借鉴作用。

关键词：叶导轮;压力场;优化

潜油电泵是海洋石油开采的主要主要设备。叶导轮的设计又是潜油电泵设计中最关键的一环决定了潜油电泵运行稳定性。传统的叶导轮设计仅仅是经验的表现和实验的积累。并不能形象的展现叶导轮流场的状态，更不能针对于叶导轮的流场进行相应的优化设计。基于以上原因本文采取数值仿真的方式，完整的针对于潜油电泵叶导轮流场优化分析，为相关产业提供借鉴意义。

1 模型建立

1.1 软件建模及网格划分

本次建模采用CFturbo和UG进行辅助建模。计算机建模摆脱“点→线→面→体”建模思路。本文采用是采用的建模思路是“CFturbo建模→UG修正”的新型的建模方式。建立包括叶轮、导叶模型。然后进行网格划分。

1.2 无关性验证

本文采用不同的网格输量计算模型扬程，比较计算结果，验证网格无关性。

随着网格数目的增加，扬程、效率变化较小。考虑到计算机的配置，本文选用第三组方案中的网格数量进行后续的仿真分析工作。

2 仿真优化分析

仿真分析运用软件ANSYS-CFX 14.5，选用模型为k-ε湍流模型，设置收敛精度为10-4避免采用标准壁面设置，没有滑移的边界条件，采用压力进口方式，初始压力为标准大气压即可。

2.1 初始设计分析

叶导轮流场优化分析，主要分析叶轮和导叶水体部分的流场性质变化，突破传统的分析方法，采用直观分析到反设计参数修改再到直观分析一个完整的闭环分析设计优化过程。

设置初始的叶导轮数据，进行仿真分析。仿真分析了不同出口流量，针对前文所建立的模型核心部件（叶轮和导叶）在表1的流量工况下（200m3/h、350m3/h）进行分析。

由图可以看出，三种工况下叶轮和导叶流场静压力分布比较相似，也验证了同等模型参数下，不同同等模拟工况下，模型流场压力分布变化较小。叶轮和导叶进口处均存在低压区，分布于叶片作用面入口处存在数值变化比较大的压力梯度。所以，通过流场分析，设计过程中，流场中尽量减少低压区的存在。如果形成较大的低压区，这就说明设计过程中偏离了理想中的设计工况，从具体参数的角度来讲，叶片的进出口安放角度与液流角度不吻合，液流进口产生较大的冲击，产生液流损失产生低压。由图可以看出，叶片面存在存在较大的湍动能区域，从另一个角度说明了液流在流经流道过程中，产生回流二次冲击叶片，从而引起较大的能领损失。所以根据流场分析根据实际情况，调整叶导轮的设计参数，调节包角直径等相关参数，反设计重新验证观察。

2.2 二次设计优化设计分析

根据初始设计中流场的分析，找到设计中存在的可能缺陷，调节相关设计参数，进行二次流场优化。具体优化参数见表。

二次优化仿真结果如下：

叶导轮二次流场优化后，由图可以看出流场得到了比较明显的改善，压力梯度数值变化较小，低压区分布区域减小，从具体参数的角度来讲，叶片的进出口安放角度与液流角度处于逐渐趋于吻合的趋势。优化后反应出液流的二次冲击也处于减小的趋势，二次优化结果可以根据预期再进行三次优化设计，优化方法与前文相同。

2.3 二次设计优化性能对比

将两次仿真结果参数进行性能分析，导出扬程和效率的相关参数进行性能对比分析。

通过图可以看出，进行参数改进和流场优化过后，比较了优化前后的扬程和效率具体数据，可以看出，优化后的效率和扬程得到预计的改善，优化数值相对明显，二次优化后的效果有所提高。效率最高可以提高5个百分点，扬程最高可以提高4m。当然这只是二次改进，具体最终的优化效果，还要进行后续优化才能实现最终的改进结果。

3 结论

①通过对叶轮导叶流场的流场分析得出，流场中存在湍流动能损失，反映出最初设计时叶片的进出口安放角度与液流角度不吻合，可以作为参数改进依据;②二次流场优化后，性能参数提提高明显，效率最高可以提高5个百分点，扬程可以最高可以提高4m。后续改进可以循环进行直至达到预期的结果;③本文主要针对叶轮导叶的流场优化进行研究分析，验证了叶轮导叶流场优化的可行性。本文建立在数值仿真基础之上，可以与具体实验结果结合修正。

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作者简介：

黄新春（1984- ），男，工程师，硕士，主要人工举升相关工作，公司：中海油能源发展股份有限公司工程技术机械采油分公司。

基金项目：国家科技重大专项项目“渤海油田高效采油工程及配套技术示范”（2016ZX05058-003-019）资助。