深井泵泵內(nèi)流場的試驗鉆研
鉆研泵內(nèi)流場尤其是混相流流場是改善深井泵性能的要害。隨著PIV技能、LDV技能及低聲波技能的日趨成熟，人們曾經(jīng)能夠利用該署先進的流場測試技能在不煩擾流場的狀況下繼續(xù)高精度的測量。在加拿大已有人運用該署先進技能鉆研深井泵流場，酒精大學(北京)陸地力學嘗試室對準該問題利用PIV(粒子成像測速技能)繼續(xù)了嘗試鉆研，其重要意思是測定相反流量時泵內(nèi)流場的散布法則，并比照單相及混相流時深井泵內(nèi)流場的異同。
1粒子成像測速及圖像解決技能
粒子成像測速(PIV)技能的根本原理①是利用撒在流體中的粒子對光的散射作用，用光學的步驟紀錄下粒子在相反聲刻在流場中的地位，從而失去粒子的位移，基于粒子對流場的追隨性，測出粒子所在地位中流體的進度及剎時靜止參數(shù)。
使用PIV技能，對流場中泛濫的粒子狀況能夠按工夫倒敘經(jīng)過屢次暴光紀錄在同一圖像上，也能夠經(jīng)過高速錄相機紀錄在相反的圖形上。利用無關的物道學及力學的假如和定理，并依據(jù)相應的數(shù)學模子，經(jīng)過一系列數(shù)字演算即可得出反映流場特點的參數(shù)(粒子位移、進度等)。通常，PIV零碎重要由照明零碎、PIV圖像紀錄存儲零碎以及PIV解決零碎組成。
2中型氣液兩相深井泵模仿嘗試安裝
深井泵在井下作業(yè)，其作業(yè)介質(zhì)也不是單相的，故很難對當場作業(yè)的深井泵的流場繼續(xù)理論測試。另外，因為各油田油井地層條件很簡單，難以找到正常性的法則，因而，在試驗室里構(gòu)建了一套中型氣液兩相深井泵模仿嘗試安裝，如圖1所示。
該模仿嘗試安裝重要由液壓掌握零碎及氣動掌握零碎組成。為了繼續(xù)可視化鉆研，深井泵模子泵筒及柱塞均采納有機玻璃打造，其泵徑為57mm，柱塞長短為0.3m，可模仿沖程為0～0.6m,沖次為0～6次/s,內(nèi)壓為0.7MPa的工況條件。
3嘗試內(nèi)中
采納與原油密度及粘度相近的輕工業(yè)白油作為嘗試介質(zhì)，用與白油密度瀕臨的GDX501聚苯乙烯小球作為示蹤粒子。運用10W的氖激光產(chǎn)生器及相應的光路零碎造成的強片光源作為PIV攝像的照明光源，并采納錄像或照相的步驟攝制PIV圖像。對準相反的工況，別離對單相和氣液兩相流介質(zhì)條件下深井泵泵筒、泵閥、柱塞等部位繼續(xù)了PIV圖像的錄制和照相，以備進一步繼續(xù)綜合解決。
4試驗后果及綜合
因為對深井泵生動閥部位流場的鉆研已有相應的鉆研成績，而且氣液兩相流PIV圖像解決程序不欠缺，故那里偏重于綜合固定介質(zhì)為單相流體時深井泵吹動閥及柱塞部位的流場。
4.1深井泵泵閥靜止法則
在嘗試中發(fā)現(xiàn)，深井泵泵閥的靜止法則和以住人們對它的意識不徹底相反，它的靜止除非有垂直位置的曲線靜止，還隨同有兩種繚繞靜止。當柱塞靜止進度較時辰，閥球繞程度軸高低繚繞；當柱塞靜止進度較大時，閥球繞豎直軸程度自轉(zhuǎn)況且沿閥座內(nèi)孔邊角即閥座孔重心軸自轉(zhuǎn)。其繚繞角進度與柱塞的靜止進度無關，柱塞靜止進度越大，閥球繚繞角進度就越大。閥球的非凡靜止內(nèi)容重要與閥球、閥座構(gòu)造的非凡性及流體的沖鋒陷陣無關。深井泵泵閥是一個球狀閥件，當流體繞過它固定時，在其后部將產(chǎn)生附面層的脫離景象，同聲產(chǎn)生一個橫向激能源。因為閥球的對稱性，這種橫向激能源將沿閥球的“赤道”四周周而復始地挪動，使閥球不是前后坐落閥座孔軸心線上，而是偏離一個間隔且緊貼在閥座邊角上繚繞，這就是“自轉(zhuǎn)”景象。
另外，因為流體固定的平衡固以及閥球的偏離造成流體閥球固定的不對稱性，對閥球?qū)a(chǎn)生定然的撓動，使某個橫向力不是作用來球心，而是在水立體上又有定然的偏頗，使閥球在水立體上再有一個轉(zhuǎn)動，即“自轉(zhuǎn)”景象。之上論斷是在純液體狀況下失去的。在氣液混相流時，因為氣泡的存在，流場擾動更加猛烈，而且氣泡對閥球存在定然的沖鋒陷陣作用，此時閥球靜止就更加簡單，除非繚繞靜止以外，再有高低猛烈的撲騰。
4.2單相流吹動閥球的PIV圖像解決后果
從深井泵吹動閥部位的流場進度矢量能夠看出，吹動閥球四周的流場不是對稱散布的，其右邊閥隙的邊界層連續(xù)到近閥球頂部才脫落。這注明生動閥隙兩邊的流體對閥球的作使勁是不失調(diào)的，從而使得閥球產(chǎn)生繚繞靜止。隨著沖次的增多，流體光速的普及，閥球邊界層更難產(chǎn)生脫離，而且閥球四周流場不對稱性仍然存在，因而閥球的偏頗更增強烈，這和嘗試內(nèi)中中所視察到的閥球靜止法則是統(tǒng)一的。
能夠看出，因為流體對閥球的橫向沖鋒陷陣力造成閥球偏離軸心，再加上其“自轉(zhuǎn)”的莫須有，使得閥球在開啟和開放的時機都有定然的滯后工夫，從而使泵的抽汲效率升高，造成泵沖程破財。另外，因為閥座形態(tài)的非流線型，使得吸入屏障增大，也使閥球的滯后工夫增多，并使閥球的擾動加大。這種閥球的飄移與擾動與閥球及閥座的形狀有很大的關系，為使閥球放量瀕臨于現(xiàn)實狀態(tài)下的高低垂直靜止，況且為了縮小閥隙的過流屏障，能夠改良閥罩和閥座的設計，使閥罩制約閥球的撲騰高低。在保障大過流面積的同聲放量使閥球只做高低垂直靜止，并將閥罩及閥座形狀設計成流線型，以此來減小過流屏障。該署改良能夠減小閥球的擾動及縮短開啟和開放的滯后工夫，從而達成普及泵效的目標。
另外，由該部位流場旋度能夠看出，在吹動閥吸出口柱塞底端與泵筒間有很顯然的兩個渦旋存在。這是所以柱塞繼續(xù)下沖程靜止時，因為柱塞底端有定然的面積，從而在向下靜止內(nèi)中中壓迫其底部的液體向上流動。而此時吹動閥球在于開啟狀態(tài)，吹動閥球下端的液體被壓入吹動閥隙，齊頭并進入柱塞內(nèi)腔，在柱塞底端部位造成液體回暖，從而構(gòu)成渦旋。這兩個渦旋大大增多了液體的過流屏障，同聲也增多了吹動閥球的擾動水平。為了肅清渦旋并減小過流屏障，可將柱塞底部截面積放量放大，并使其形狀呈喇叭口型，從而減小過流屏障。
4.3單相流柱塞入口處的PIV圖像解決后果
單相流作用下柱塞頂端入口處流場進度矢量圖。從圖中能夠看出,柱塞頂端入口處出現(xiàn)以次的流場特色：柱塞外部管流呈對稱固定狀態(tài)，而且流線散布較勻稱。這注明柱塞外部管流穩(wěn)固，大體呈層流固定狀態(tài)，這一點從柱塞入口處流場旋度中能夠更明晰地看到。但在柱塞入口處，因為過流截面減小以及截面形態(tài)的變遷，使得流體在柱塞入口處產(chǎn)生程度進度重量，尤其是在角落處涌現(xiàn)了渦旋,從而產(chǎn)生負壓，增大了過流屏障。隨著沖次的增多，柱塞入口角落處的渦旋也一直增強，入口處過流屏障也相應加大。為了縮小渦旋的產(chǎn)生，從該部位綜合可知，若柱塞入口角落處設計成流線型或在該部位打造倒角應會大限度地減小渦旋，從而升高該部位的過流屏障。
5提議
對深井泵應做以次改良：
(1)閥球是深井泵中的一個重要元件，也是易損件，它決議著泵的效率及檢泵周期。提議對混相流深井泵采納偏頗球狀閥球，關于流道狹小的深井泵采納滴形閥球，對含砂的抽油井用深井泵則采納鑲有密封膠皮的扇形閥球。
(2)在保障大過流面積的條件下，關于閥球罩的過流斷面形態(tài)，無須放量采納流線型，以減小過流屏障。
(3)在設計柱塞的構(gòu)造時，無須思忖將柱塞下端的吸出口設計成流線型或喇叭口型，以升高其吸入屏障。在保障柱塞入口有大過流斷面的同聲，將柱塞入口流道也設計成流線型，以升高柱塞入口處的過流屏障。【MechNet】
更多技術文章
|
