柱塞自旋转整筒管式抽油泵旋桨的数值模拟

　　设计计算柱塞自旋转整筒管式抽油泵旋桨的数值模拟鲁广立1朱宏武2张金亚2（1.北京广立科技有限公司2.中国石油大学北京）筒管式抽油泵。该泵的关键部分是柱塞自旋转体和半球旋转式固定阀，柱塞自旋转体内有一个旋桨，流体流过旋桨时，可对旋桨产生力矩，推动旋桨连同柱塞一起旋转，达到除砂目的。应用CFD软件对旋桨处的流场做数值模拟计算，结果表明，在一个冲程内，流体流过旋桨时可以产生足够的力使旋桨带动柱塞一起旋转5.72°，达到了设计要求，解决了泵筒的砂卡和砂埋问题。

　　基金项目：北京市教育委员会重点学科资助项目“机械工程重点学科”（XK114M0594）。该产品已获国家专利，专利号：ZL022目前国内普遍使用的抽油泵是美式常规抽油泵。这种抽油泵在上下运行过程中，是单一的直线运行，抽油过程中的砂卡和砂埋问题相当严重。以大港油田采油厂的情况为例进行分析，从2005年该采油厂停产井统计情况分析数据可以看出，由于砂卡、砂埋停产76次，占停产次数的30.65.因此，砂卡、砂埋停产井仍然是维护性作业的主要内容。美国MidwaySunset油田是质地疏松的Potter砂岩油层，砂害使得抽油泵的故障率很高，虽然采取了一些防砂措施，但效果不大明显。采用旋转柱塞泵后的2年时间内，其井下维修费用降低37，检泵频率下降51，抽油泵维修费用下降48.为此，中国石油大学（北京）和北京广立科技有限公司联合研制了柱塞自旋转整筒管式抽油泵，2002年至今在辽河、胜利、大港、南阳、江汉等油田进行了试验，取得了良好的效果，解决了抽油过程中的砂卡、砂埋问题，同时提高泵效5~8，提高产液量25.结构及工作原理柱塞自旋转整筒管式抽油泵由泵筒、油管旋流器、柱塞自旋转体和半球旋转式固定阀构成。油管旋流器位于泵的上部，半球旋转式固定阀位于泵的下部，其结构如图所示。

　　柱塞自旋转整筒管式抽油泵结构示意一抽油杆；2?油管旋流器；3?柱塞自旋转整筒管式抽油泵筒；4一自旋转柱塞总成；5?半球旋转式固定阀2.工作原理柱塞自旋转整筒管式抽油荥的关键部分是柱塞自旋转体和半球旋转式固定阀。当流体流过柱塞自旋转体时，液流沿着柱塞自旋转体内旋桨的螺旋槽螺旋上升，螺旋流动时在旋桨叶片的两面产生压力差，进而产生力矩，推动旋桨旋转。柱塞上端旋流器和旋流杆动连接，旋桨推动柱塞沿螺纹旋紧的方向旋转下行，柱塞外工作面的刮砂槽将泵筒与柱塞间隙中的垢物与砂粒刮进槽中，保持柱塞工作段清洁，杜绝砂卡。柱塞上端的旋流器在柱塞抽汲原油的过程中旋转运行，搅动原液，防止柱塞上端的砂粒沉积，解决了柱塞上端的砂埋问题。

　　常规栗栗效低的主要原因是由于球阀对底座存在一次以上的冲击，不能迅速关闭，造成液体流失。

　　同时阀座的密封带上经常会沉积细小的砂粒，对密封带造成伤害，达到一定程度就会密封不严，形成泄漏，降低泵效。柱塞自旋转整筒管式抽油泵的半球自旋转式固定阀采用储能复位装置，可以缩短半球阀关闭时间，半球阀旋转搅动液体防止砂粒沉积，防止撞击时对密封带的破坏，旋转密封的同时还可消除撞击产生的磁性，保护固定阀座。同时，半球式设计增加球阀关闭时的受压，使球阀不能二次弹起，避免液体漏失，起到提高泵效的作用。

　　对旋桨的数值模拟旋桨是自旋转体的关键部件，它与柱塞通过螺纹连接，流体流动所产生的力使旋桨带动柱塞一起做旋转运动，从而达到除砂的目的。因此，笔者对旋桨处的流场做了数值模拟，得到流体流过旋桨时，对旋桨叶片产生的压力情况，进而得出流体对旋桨所产生的扭矩，并与由于流体介质的粘性所产生的阻力进行比较，从而判断抽油过程中旋奖是否可以按照设计目的产生旋转。

　　为在Pro/e中建立的旋桨模型图。针对旋桨处流场的特征，将流场分为2个部分，以便于划分更为合理的网格。流场网格总数为23. 87万个，如所示。

　　旋桨处流场计算网格图边界条件：进口为速度人口；出口在旋桨的出口进行了一定的延长，并设为自由出口边界条件；壁面为无滑移壁面边界条件。

　　104m3/s的工况下，用Fluent软件模拟了旋桨处的流场，介质为原油，密度为9kg/m3，动力粘度2Pa.s.湍流模型选取雷诺应力模型，计算的迭代误差为1经过迭代得到了旋桨处的流场情况，和5分别为旋桨吸力面和压力面的静压分布云图。分析两图可以明显地发现：沿着螺旋面，压力均匀变化，不存在突变情况；在同一径向位置，压力面所对应的静压明显高于吸力面所对应的静压。软件输出单个叶片的扭矩为0.0957Nm，则流体流过旋桨时对3个叶片产生的总扭矩为3x0.095旋桨压力面的静压分布云图同时，由于流体的粘性会产生反方向的摩擦力，阻止旋桨旋转。通过模拟计算结果可以得到流体的粘性对单个叶片的阻力力矩为。31 Nm，则流体流过旋桨时，流体的粘性对3个叶片产生的作用在旋桨叶片上的总扭矩为。287 10.0930=0.1941Nm，此扭矩推动旋桨旋转。旋桨叶片处的半径为16mm，把流体对旋桨的力简化为作用在叶片顶端的力，计算可得F=12.13N0旋桨与柱塞通过螺纹连接，旋桨旋转带动柱塞旋转，柱塞与泵筒间隙配合，因此，柱塞旋转时还受到泵筒与柱塞之间的粘性阻力作用。根据牛顿内摩擦定律可得粘滞切应力F??泵筒与柱塞之间的切向粘性阻力，F= A??柱塞与泵筒之间的配合面积，?栗筒与柱塞配合间隙之间的速度梯ay度；du?-栗筒与柱塞配合间隙之间切向的速度变化；d）一一泵筒与柱塞配合间隙，取办=设泵的冲次为5mirT1，则半个冲程所需时间结束语：鲁广立，篼级工程师，生于1937年，1959年毕业于第二篼射炮兵学院（现导弹学院），主要从事抽油设备的研究和开发工作。地址：（100070）北京市。电-06-29（本文编辑丁莉萍）通过对柱塞自旋转整筒管式抽油泵自旋转体的数值模拟计算，可以得出：在1个冲程内，流体流过旋桨时可以产生足够的力使旋桨带动柱塞一起旋转5.72°，达到了设计要求，解决了泵筒的砂卡和砂埋问题。

　　柱塞自旋转整筒管式抽油泵作为一种新型抽油栗，可防止泵筒中砂卡现象的发生，是降低维护性作业工作量的手段之一。