長沙中開泵資深廠家對深井泵泵內(nèi)流場的實驗研究

長沙中開泵資深廠家20年水泵技術(shù)的累積，對長沙中開泵和深井泵的研究極其透徹。
 

　　4實驗結(jié)果及分析

　　由于對深井泵固定閥部位流場的研究已有相應(yīng)的研究成果，而且氣液兩相流PIV圖像處理程序不完善，故這里側(cè)重于分析流動介質(zhì)為單相流體時深井泵游動閥及柱塞部位的流場。

　　4.1深井泵泵閥運(yùn)動規(guī)律

　　在試驗中發(fā)現(xiàn)，深井泵泵閥的運(yùn)動規(guī)律和以住人們對它的認(rèn)識不完全相同，它的運(yùn)動除了有垂直方向的直線運(yùn)動，還伴隨有兩種旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。當(dāng)柱塞運(yùn)動速度較小時，閥球繞水平軸上下旋轉(zhuǎn)；當(dāng)柱塞運(yùn)動速度較大時，閥球繞豎直軸水平自轉(zhuǎn)并且沿閥座內(nèi)孔邊角即閥座孔圓心軸公轉(zhuǎn)。其旋轉(zhuǎn)角速度與柱塞的運(yùn)動速度有關(guān)，柱塞運(yùn)動速度越大，閥球旋轉(zhuǎn)角速度就越大。閥球的特殊運(yùn)動形式主要與閥球、閥座結(jié)構(gòu)的特殊性及流體的沖擊有關(guān)。深井泵泵閥是一個球形閥件，當(dāng)流體繞過它流動時，在其后部將發(fā)生附面層的脫離現(xiàn)象，同時產(chǎn)生一個橫向激動力。由于閥球的對稱性，這種橫向激動力將沿閥球的“赤道”周圍周而復(fù)始地移動，使閥球不是始終位于閥座孔軸心線上，而是偏離一個距離且緊靠在閥座邊角上旋轉(zhuǎn)，這就是“公轉(zhuǎn)”現(xiàn)象。

　　另外，由于流體流動的不穩(wěn)定以及閥球的偏離造成流體相對閥球流動的不對稱性，對閥球?qū)a(chǎn)生一定的撓動，使這個橫向力不是作用于球心，而是在水平面上又有一定的偏心，使閥球在水平面上還有一個轉(zhuǎn)動，即“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象。以上結(jié)論是在純液體情況下得到的。在氣液混相流時，由于氣泡的存在，流場擾動更加劇烈，而且氣泡對閥球具有一定的沖擊作用，此時閥球運(yùn)動就更加復(fù)雜，除了旋轉(zhuǎn)運(yùn)動以外，還有上下劇烈的跳動。

　　4.2單相流游動閥球的PIV圖像處理結(jié)果

　　從深井泵游動閥部位的流場速度矢量可以看出，游動閥球周圍的流場不是對稱分布的，其左邊閥隙的邊界層延續(xù)到近閥球頂部才脫落。這說明固定閥隙兩邊的流體對閥球的作用力是不平衡的，從而使得閥球產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。隨著沖次的增加，流體流速的提高，閥球邊界層更早發(fā)生脫離，而且閥球周圍流場不對稱性依然存在，所以閥球的偏心更加強(qiáng)烈，這和試驗過程中所觀察到的閥球運(yùn)動規(guī)律是一致的。

　　可以看出，由于流體對閥球的橫向沖擊力造成閥球偏離軸心，再加上其“自轉(zhuǎn)”的影響，使得閥球在開啟和關(guān)閉的時候都有一定的滯后時間，從而使泵的抽汲效率降低，造成泵沖程損失。另外，由于閥座形狀的非流線型，使得吸入阻力增大，也使閥球的滯后時間增加，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外形有很大的關(guān)系，為使閥球盡量接近于理想狀態(tài)下的上下垂直運(yùn)動，并且為了減少閥隙的過流阻力，可以改進(jìn)閥罩和閥座的設(shè)計，使閥罩限制閥球的跳動高度。在保證最大過流面積的同時盡量使閥球只做上下垂直運(yùn)動，并將閥罩及閥座外形設(shè)計成流線型，以此來減小過流阻力。這些改進(jìn)可以減小閥球的擾動及縮短開啟和關(guān)閉的滯后時間，從而達(dá)到提高泵效的目的。

　　另外，由該部位流場旋度可以看出，在游動閥吸入口柱塞底端與泵筒間有很明顯的兩個渦旋存在。這是因為柱塞進(jìn)行下沖程運(yùn)動時，由于柱塞底端有一定的面積，從而在向下運(yùn)動過程中壓迫其底部的液體向下流動。而此時游動閥球處于開啟狀態(tài)，游動閥球下端的液體被壓入游動閥隙，并進(jìn)入柱塞內(nèi)腔，在柱塞底端部位造成液體回流，從而形成渦旋。這兩個渦旋大大增加了液體的過流阻力，同時也增加了游動閥球的擾動程度。為了消除渦旋并減小過流阻力，可將柱塞底部截面積盡量縮小，并使其外形呈喇叭口型，從而減小過流阻力。

　　4.3單相流柱塞出口處的PIV圖像處理結(jié)果

　　單相流作用下柱塞頂端出口處流場速度矢量圖。從圖中可以看出,柱塞頂端出口處呈現(xiàn)以下的流場特征：柱塞內(nèi)部管流呈對稱流動狀態(tài)，而且流線分布較均勻。這說明柱塞內(nèi)部管流穩(wěn)定，大致呈層流流動狀態(tài)，這一點(diǎn)從柱塞出口處流場旋度中可以更清楚地看到。但在柱塞出口處，由于過流截面減小以及截面形狀的變化，使得流體在柱塞出口處產(chǎn)生水平速度分量，尤其是在拐角處出現(xiàn)了渦旋,從而產(chǎn)生負(fù)壓，增大了過流阻力。隨著沖次的增加，柱塞出口拐角處的渦旋也不斷加強(qiáng)，出口處過流阻力也相應(yīng)加大。為了減少渦旋的產(chǎn)生，從該部位分析可知，若柱塞出口拐角處設(shè)計成流線型或在該部位制造倒角應(yīng)會最大限度地減小渦旋，從而降低該部位的過流阻力。

　　5建議

　　對深井泵應(yīng)做以下改進(jìn)：

　　(1)閥球是深井泵中的一個主要部件，也是易損件，它決定著泵的效率及檢泵周期。建議對混相流深井泵采用偏心球形閥球，對于流道狹小的深井泵采用滴形閥球，對含砂的抽油井用深井泵則采用鑲有密封膠皮的錐形閥球。

　　(2)在保證最大過流面積的條件下，對于閥球罩的過流斷面形狀，應(yīng)該盡量采用流線型，以減小過流阻力。

　　(3)在設(shè)計柱塞的結(jié)構(gòu)時，應(yīng)該考慮將柱塞下端的吸入口設(shè)計成流線型或喇叭口型，以降低其吸入阻力。在保證柱塞出口有最大過流斷面的同時，將柱塞出口流道也設(shè)計成流線型，以降低柱塞出口處的過流阻力。

長沙中開泵資深廠家20年水泵技術(shù)的累積，對長沙中開泵和深井泵的研究極其透徹。

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