深井泵的实验研究与未来改进方向

2014-01-02

随着PIV技术、LDV技术及超声波技术的日趋成熟，人们已经可以利用这些先进的流场测试技术在不干扰流场的情况下进行高精度的测量。

在加拿大已有人使用这些先进技术研究深井泵流场，我们可以对该问题应用PIV(粒子成像测速技术)进行了试验研究，其主要内容是测定不同流量时泵内流场的分布规律，并对比单相及混相流时深井泵内流场的异同。

试验过程：

采用与原油密度及粘度相近的工业白油作为试验介质，用与白油密度接近的GDX501聚苯乙烯小球作为示踪粒子。使用10W的氖激光发生器及相应的光路系统造成的强片光源作为PIV摄像的照明光源，并采用录像或照相的方法摄制PIV图像。针对不同的工况，分别对单相和气液两相流介质条件下深井泵泵筒、泵阀、柱塞等部位进行了PIV图像的录制和照相，以备进一步进行分析处理。

实验结果及分析：

由于对深井泵固定阀部位流场的研究已有相应的研究成果，而且气液两相流PIV图像处理程序不完善，故这里侧重于分析流动介质为单相流体时深井泵游动阀及柱塞部位的流场。

深井泵运动规律

在试验中发现，深井泵泵阀的运动规律和以住人们对它的认识不完全相同，它的运动除了有垂直方向的直线运动，还伴随有两种旋转运动。当柱塞运动速度较小时，阀球绕水平轴上下旋转;当柱塞运动速度较大时，阀球绕竖直轴水平自转并且沿阀座内孔边角即阀座孔圆心轴公转。其旋转角速度与柱塞的运动速度有关，柱塞运动速度越大，阀球旋转角速度就越大。阀球的特殊运动形式主要与阀球、阀座结构的特殊性及流体的冲击有关。深井泵泵阀是一个球形阀件，当流体绕过它流动时，在其后部将发生附面层的脱离现象，同时产生一个横向激动力。由于阀球的对称性，这种横向激动力将沿阀球的“赤道”周围周而复始地移动，使阀球不是始终位于阀座孔轴心线上，而是偏离一个距离且紧靠在阀座边角上旋转，这就是“公转”现象。

另外，由于流体流动的不稳定以及阀球的偏离造成流体相对阀球流动的不对称性，对阀球将产生一定的挠动，使这个横向力不是作用于球心，而是在水平面上又有一定的偏心，使阀球在水平面上还有一个转动，即“自转”现象。以上结论是在纯液体情况下得到的。在气液混相流时，由于气泡的存在，流场扰动更加剧烈，而且气泡对阀球具有一定的冲击作用，此时阀球运动就更加复杂，除了旋转运动以外，还有上下剧烈的跳动。

得出结论应对深井泵做以下改进：

(1)阀球是深井泵中的一个主要部件，也是易损件，它决定着泵的效率及检泵周期。建议对混相流深井泵采用偏心球形阀球，对于流道狭小的深井泵采用滴形阀球，对含砂的抽油井用深井泵则采用镶有密封胶皮的锥形阀球。

(2)在保证过流面积的条件下，对于阀球罩的过流断面形状，应该尽量采用流线型，以减小过流阻力。

(3)在设计柱塞的结构时，应该考虑将柱塞下端的吸入口设计成流线型或喇叭口型，以降低其吸入阻力。在保证柱塞出口大过流断面的同时，将柱塞出口流道也设计成流线型，以降低柱塞出口处的过流阻力。