一种气液两相流增压泵用均化器及其设计方法与流程

1.本发明属于多相增压泵的技术领域，具体而言，涉及一种气液两相流增压泵用均化器及其设计方法。


背景技术：

2.目前的多相混输技术作为陆地及深海油气开采工程项目的关键技术，其关键设备是多相增压泵。目前，国外的德国bornemann公司、挪威framo公司、法国sulzer公司及leistritz等公司的水下多相泵产品几乎垄断国内用户市场。国内企业更多的是对水下多相增压泵的选型、结构探讨、现状及发展趋势进行论述，缺少工程实际应用成果。
3.在增压泵输送气液两相流时，介质的含气率、气相直径、气相合理分布，直接决定增压泵的输送特性。均化器作为增压泵核心部件，其核心作用是将介质中气相进行离散、重新分布及促进气相与液相的有效融合，对增压泵增强输送气液两相流能力起到至关重要的作用。但，现有所采用的均化器，其不利于介质中气相的破碎、离散，无法实现对气相与液相的有效融合。
4.因此，需要对多相增压泵用均化器进行持续研究、开发及应用，以解决现有均化器所面临的实际问题。


技术实现要素：

5.鉴于此，为了解决现有技术存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种气液两相流增压泵用均化器及其设计方法以达到通过均化器能有利于介质中气相的破碎、离散，并增强气相与液相的有效融合，提升增压泵输送介质含气率，最终拓宽增压泵有效使用工况的目的。
6.本发明所采用的技术方案为：一种气液两相流增压泵用均化器，该均化器包括：沿同一轴线呈同心布置的外筒体和内筒体；
7.所述外筒体与内筒体之间形成一过流流道且过流流道呈u形状，沿过流流道的流道方向上由进液面至出液面依次设置有若干个离散域、第一扩散域、压缩域和第二扩散域，且第一扩散域和第二扩散域沿流道方向的流道面积均呈逐渐增大；各所述离散域共同形成的总过流面积≥过流流道的出口界面积；
8.其中，所述离散域和第一扩散域位于过流流道的同一支臂侧，第二扩散域位于过流流道的另一支臂侧，且压缩域位于过流流道的弯曲部。
9.在本发明中还公开了一种气液两相流增压泵用均化器的设计方法，该设计方法包括如下：
10.将沿同一轴线呈同心布置的外筒体和内筒体设为一体，并在外筒体与内筒体之间形成u形状的过流流道，沿过流流道的流道方向依次定义为离散域、第一扩散域、压缩域和第二扩散域；
11.将若干个离散域按规律排列在外筒体的侧壁上，并满足各所述离散域共同形成的
总过流面积≥过流流道的出口界面积；
12.将第一扩散域和第二扩散域沿流道方向的流道面积均设计为呈逐渐增大；
13.其中，所述离散域和第一扩散域位于过流流道的同一支臂侧，第二扩散域位于过流流道的另一支臂侧，且压缩域位于过流流道的弯曲部。
14.进一步地，各所述离散域的排列规则为：沿外筒体的轴向方向呈等间距分布为多层，且同一层所在圆周方向的各所述离散域呈均匀分布，以实现气液两相流以均匀形态进入均化器中。
15.进一步地，将外筒体的外径定义为d1，离散域的内径定义为d2，位于同一层所在圆周方向上的离散域个数为z1，需满足：3*d1/d2≤z1≤2*d1/d2；其中，z1为正整数，以满足气液两相流被强制破碎、离散分配。
16.进一步地，将外筒体的外径定义为d1，离散域的内径定义为d2，外筒体的圆柱面高度定义为h；同一轴线方向上且位于不同层的离散域个数为z2，需满足：2*(h-10*d2)/d2≤z2≤2*(h-d2)/d2；其中，z2为正整数，以满足气液两相流被强制破碎、离散分配。
17.进一步地，将离散域设计为圆形过流通道，圆形过流通道与第一扩散域相通，圆形过流通道的内径定义为d2，需满足：d2≤5mm，可将圆形过流通道的进口端设为扩口状。
18.进一步地，定义圆形过流通道的夹角段所在中心线与轴线之间的交线夹角为α，满足α≤60
°
。
19.进一步地，定义外筒体的外壁为轴面，内筒体的外壁为a锥面，外筒体的外壁与内筒体的外壁之间形成第一扩散域，且a锥面与轴面间的夹角为β，满足：2
°
≤β≤15
°
。
20.进一步地，在外筒体的弯曲部与内筒体的弯曲部之间形成压缩域，压缩域的进口宽度为l3，压缩域的出口宽度为l4，且l3≥2*l4；
21.其中，所述外筒体的弯曲部半径与内筒体的弯曲部半径分别定义为r1和r2，且满足：r2≥2*r1。
22.进一步地，定义外筒体的内壁为b锥面，内筒体的内壁为c锥面，在外筒体的内壁与内筒体的内壁之间形成第二扩散域，且b锥面和c锥面与轴面间的夹角分别为γ和满足：0
°
≤γ≤5
°
，
23.本发明的有益效果为：
24.1.采用本发明所提供的气液两相流增压泵用均化器，其过流部分依次由离散域、第一扩散域、压缩域及第二扩散域组成，经充分破碎、离散及融合的气液两相流以慢速流入叶轮(导叶)进口，有利于介质中气相破碎、离散、气相与液相的有效融合，使气相在液相内分布均匀，可有效降低叶轮(导叶)出现气蚀，防止叶轮(导叶)的气蚀破坏，进而提升增压泵输送能力。
25.2.采用本发明所提供的气液两相流增压泵用均化器的设计方法，通过分别对离散域、第一扩散域、压缩域及第二扩散域的设计参数优化，有利于提升增压泵输送气液两相流的能力，拓宽增压泵的适用参数范围，在投入运营后，能降低叶轮气蚀破坏性，提高增压泵维护周期及使用寿命，降低设备维护成本。
附图说明
26.图1是本发明所提供的气液两相流增压泵用均化器的整体结构示意图；
27.图2是本发明所提供的气液两相流增压泵用均化器的剖视示意图；
28.图3是本发明所提供的气液两相流增压泵用均化器在图2中a处的局部放大示意图；
29.图4是本发明所提供的气液两相流增压泵用均化器在图2中b处的局部放大示意图；
30.附图中标注如下：
31.1-吸入段，2-均化器，3-第一叶轮，4-第一导叶，5-第二叶轮，6-第二导叶，7-转轴，8-出水段，9-进液面，10-离散域，11-第一扩散域，12-压缩域，13-第二扩散域，14-出液面，15-外筒体外壁，16-内筒体外壁，17-内筒体内壁，18-外筒体内壁。
具体实施方式
32.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
33.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
35.应注意到：
36.在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义；实施例中的附图用以对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
37.实施例1
38.如图1、图2所示，在本实施例中具体公开了一种气液两相流增压泵用均化器2，增压泵的过流核心部件为均化器2、第一叶轮3、第二叶轮5、第一导叶4、第二导叶6及转轴7组成，还设置有与均化器2相配套的吸入段1和出水段8，其中，所述均化器2作为该增压泵的核心部件，所述叶轮和导叶呈同心设置在转轴7上，其能够在轴的转动作用下联动叶轮和导叶旋转，所述均化器2的具体设计如下：
39.均化器2包括：沿同一轴线呈同心布置的外筒体和内筒体且该轴线为转轴7的轴线所在，在外筒体与内筒体之间形成一过流流道且过流流道呈u形状，过流通道的一端为进液口，另一端为出液口，且进液口和出液口所在的界面分别为进液面9和出液面14，沿过流流道的流道方向上由进液面9至出液面14依次设置有若干个离散域10、第一扩散域11、压缩域
12和第二扩散域13。对于各个部分的布局设计，离散域10和第一扩散域11位于过流流道的同一支臂侧，第二扩散域13位于过流流道的另一支臂侧，且压缩域12位于过流流道的弯曲部。
40.各所述离散域10共同形成的总过流面积≥过流流道的出口界面积，经离散域10的气液两相流被强制破碎、离散分配，气相由非均匀态逐渐离散为均匀态，经圆形过流通道设计的离散域10作包覆运动，小气泡融入液流，气相在液相占比增大。
41.第一扩散域11所在的通道沿流道方向的流道面积均呈逐渐增大的形状，经离散及融合的气液两相流随后进入第一扩散域11至压缩域12流道区域内，在第一扩散域11内的流速降低，压力增大，气相再次融入液相。
42.同时，所述第二扩散域13所在的通道沿流道方向的流道面积均呈逐渐增大的形状，经压缩域12出口进入第二扩散域13的流道后，由于流道面积增大，经充分破碎、离散及融合的气液两相从出液面14流出，以慢速流入至叶轮(导叶)进口，可有效降低叶轮(导叶)出现气蚀，造成叶轮(导叶)的气蚀破坏，提升增压泵输送能力。
43.实施例2
44.在本实施例1所提供的气液两相流增压泵用均化器2之基础上，在本实施例中具体公开了一种气液两相流增压泵用均化器2的设计方法，如图2所示，该设计方法包括如下：
45.将沿同一轴线呈同心布置的外筒体和内筒体设为一体，外筒体和内筒体可通过一体铸造成型或焊接连接形成为一体结构，且外筒体和内筒体的截面均设为呈对称布置的弯钩状结构，以实现在内筒体套于外套外筒体的内部后，共同组成一个呈u形状的过流通道。在外筒体与内筒体之间形成u形状的过流流道，沿过流流道的流道方向依次定义为离散域10、第一扩散域11、压缩域12和第二扩散域13，其中，离散域10和第一扩散域11位于过流流道的同一支臂侧，第二扩散域13位于过流流道的另一支臂侧，且压缩域12位于过流流道的弯曲部。
46.将若干个离散域10按规律排列在外筒体的侧壁上，并满足各所述离散域10共同形成的总过流面积≥过流流道的出口界面积；以实现经离散域10的气液两相流被强制破碎、离散分配，气相由非均匀态逐渐离散为均匀态，经圆形过流通道设计的离散域10作包覆运动，小气泡融入液流，气相在液相占比增大。对于离散域10的具体设计方法如下：
47.首先，将其按规律排列在外筒体的侧壁上，各所述离散域10的排列规则为：将各个离散域10沿外筒体的轴向方向呈等间距分布为多层，且同一层所在圆周方向的各所述离散域10也呈均匀分布。在实际应用时，将离散域10设计为圆形过流通道且圆形过流通道的内径定义为d2，圆形过流通道与第一扩散域11相通，以实现由各个离散域10共同组成进液口，且需满足：d2≤5mm，该内径范围内能够确保经经离散域10的气液两相流被强制破碎、离散分配，气相由非均匀态逐渐离散为均匀态。
48.如图3所示，为确保气液两相在流经离散域10时，小气泡融入液流，气相在液相占比增大，该离散域10的圆形过流通道由水平段与夹角段构成，水平段与夹角段在水平方向的长度分别为l1、l2，且满足l1/l2≤0.7，该圆形过流通的夹角段所在中心线与轴线之间的交线夹角为α，α≤60
°
。
49.其次，将外筒体的外径定义为d1，离散域10的内径定义为d2，外筒体的圆柱面高度定义为h，均化器2的出口圆环截面外径(即为内筒体内壁17内径)为d4且均化器2的出口圆
环截面内径(即为外筒体内壁18外径)为d3；
①
在位于同一层所在圆周方向上的离散域10个数为z1，需满足：3*d1/d2≤z1≤2*d1/d2；其中，z1为正整数；
②
同一轴线方向上且位于不同层的离散域10个数为z2，需满足：2*(h-10*d2)/d2≤z2≤2*(h-d2)/d2；其中，z2为正整数。
50.基于上述所设计的离散域10，该离散域10的圆形过流通道界面积为s
d1
＝(π*d2^2)/4，均化器2的外筒体上圆形过流通道的总数量为n＝z1*z2(其中，z1、z2为正整数)，各个离散域10共同组成的总过流面积s
inlet
＝n*s
d1
，均化器2的出口界面积为s
outlet
＝π*(d4^2-d3^2)/4，且满足s
inlet
≥s
outlet
，即为各所述离散域10共同形成的总过流面积≥过流流道的出口界面积。
51.为实现在第一扩散域11内能够充分破碎、离散及融合的气液两相的流速降低，对于第一扩散域11的设计如下：定义外筒体外壁15为轴面，内筒体外壁16为a锥面，外筒体外壁15与内筒体外壁16之间形成第一扩散域11，以实现第一扩散域11沿流道方向的流道面积均设计为呈逐渐增大，且a锥面与轴面间的夹角为β，满足：2
°
≤β≤15
°
。
52.如图4所示，为实现在压缩域12内降低流速，且压力增大，促使气相再次融入液相，在外筒体的弯曲部与内筒体的弯曲部之间形成压缩域12，压缩域12的进口宽度为l3(该进口宽度即为第一扩散域11的出口宽度)，压缩域12的出口宽度为l4(该压缩域12的出口宽度即为第二扩散域13的进口宽度)，且需满足l3≥2*l4；同时，所述外筒体的弯曲部半径与内筒体的弯曲部半径分别定义为r1和r2，且满足：r2≥2*r1。
53.为实现经压缩域12出口进入第二扩散域13的流道后，在第二扩散域13内能够充分破碎、离散及融合的气液两相从出液面14流出，以慢速流入至叶轮(导叶)进口，以有效降低叶轮(导叶)出现气蚀，将第二扩散域13沿流道方向的流道面积均设计为呈逐渐增大。定义外筒体内壁18为b锥面，内筒体内壁17为c锥面，在外筒体内壁18与内筒体内壁17之间形成第二扩散域13，且b锥面和c锥面与轴面(轴线)间的夹角分别为γ和满足：0
°
≤γ≤5
°
，
54.本发明不局限于上述可选实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是落入本发明权利要求界定范围内的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。