叶片式油气混输泵的叶轮及其设计方法 |
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| 申请号 | CN201810087360.8 | 申请日 | 2018-01-30 | 公开(公告)号 | CN108005950B | 公开(公告)日 | 2024-04-09 |
| 申请人 | 清华大学; | 发明人 | 谭磊; 刘明; 杨昌磊; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种 叶片 式油气混输 泵 的 叶轮 及其设计方法，叶片式油气混输泵的叶轮包括： 轮毂 ；叶片，叶片沿轮毂的轴向方向螺旋延伸，叶片在延伸方向上具有第一端和第二端，叶片具有连接轮毂的轮毂侧和远离轮毂的轮缘侧，安放 角 符合函数β(x)＝β0+(β1‑β0)·f(x)，其中，β0、β1为轴面 流线 在第一端和第二端的安放角，f(x)为轴面流线各处安放角的分布规律的无量纲四次多项式函数，x对应于轴面流线上的预定 位置 与第一端之间沿该轴面流线的长度和该轴面流线的总长度之间的比值，f(x)为根据设计要求确定的连续函数。根据本发明 实施例 的叶片式油气混输泵的叶轮，叶轮适于安装于油气混输泵内，可以提高油气混输泵的扬程和工作效率。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种叶片式油气混输泵的叶轮，其特征在于，包括： |
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| 说明书全文 | 叶片式油气混输泵的叶轮及其设计方法技术领域[0001] 本发明涉及机械设计制造领域，具体涉及一种叶片式油气混输泵的叶轮及该叶轮的设计方法。 背景技术[0002] 在油田石油开采的相关技术中，通常有两种开采方案。 [0004] 二：采用混输泵技术取消了分离器、压缩机、单相输油泵及天然气放空火炬等设备在油田现场的应用，并且使油气处理设备集中在一个模块，改善了油气集输系统的布局和流程，可以减少约40％的投资，管理和维护费用也大大降低，具有广阔的应用前景。 [0005] 然而，油田输送介质多数情况下是油、气和水的混合物，甚至还含有固体颗粒。并且在实际油田油气混输中含气率的变化范围较大，这对于混输泵的性能提出了很大要求，相关技术中的混输泵的性能还不够优秀，开采效率较低。 发明内容[0006] 本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。 [0007] 为此，本发明第一方面的实施例提出一种叶片式油气混输泵的叶轮，可以提高混输泵的工作效率。 [0008] 本发明第二方面的实施例提出一种叶轮的制作方法，根据该方法制作的叶轮性能较好。 [0009] 根据本发明第一方面实施例的叶片式油气混输泵的叶轮，包括：轮毂；叶片，所述叶片设于所述轮毂的外周面，且所述叶片沿所述轮毂的轴向方向螺旋延伸，所述叶片在延伸方向上具有第一端和第二端，所述叶片具有连接轮毂的轮毂侧和远离轮毂的轮缘侧，所述叶片的轴面流线的切线与垂直于所述轮毂轴线的平面之间形成的安放角符合函数β(x)＝β0+(β1‑β0)·f(x)，其中，β0为轴面流线在所述第一端的安放角，β1为轴面流线在所述第二端的安放角，f(x)为轴面流线各处安放角的分布规律的无量纲四次多项式函数，x对应于轴面流线上的预定位置与所述第一端之间沿该轴面流线的长度和该轴面流线的总长度之间的比值，f(x)为根据设计要求确定的连续函数，f(x)∈[0,1]，f(0)＝0，f(1)＝1，β0、β1为根据设计要求确定的参数。 [0010] 根据本发明实施例的叶片式油气混输泵的叶轮，叶轮适于安装于油气混输泵内，可以提高油气混输泵的扬程和工作效率。 [0011] 另外，根据本发明上述实施例的叶片式油气混输泵的叶轮，还可以具有如下附加的技术特征： [0012] 根据本发明的一个实施例，f’(0)＝K0，f’(1)＝K1，f’(0.5)＝λ，其中K0、K1、λ是根4 据设计要求选定的参数，所述四次多项式函数为f(x)＝(16λ‑2K0+2K1‑8)·x+(14+5K0‑3K1‑ 3 2 32λ)·x+(16λ‑4K0+K1‑5)·x+K0·x。 [0013] 根据本发明的一个实施例，参数K0和K1均在0到2的范围内，参数λ在0.4到0.6的范围内，β0和β1根据设计要求确定。 [0014] 根据本发明的一个实施例，所述叶片的轮毂侧的轴面流线上各处的安放角均大于所述叶片的轮缘侧的轴面流线上对应位置的安放角。 [0015] 根据本发明的一个实施例，在从所述第一端到所述第二端的方向上所述叶片的宽度尺寸先增大后减小，所述轮毂和所述叶片一体成型或通过焊接形成为一体。 [0016] 根据本发明第二方面实施例的叶轮的制作方法，所述叶轮为上述的叶轮，包括：根据叶轮的使用要求确定叶片上从轮毂侧到轮缘侧的方向上的至少两个轴面流线的安放角β0、安放角β1以及函数f(x)；；S2，根据S1中的至少两个轴面流线利用插值法确定叶轮上其他位置的轴面流线。 [0017] 根据本发明实施例的叶轮的制作方法，可以制作出预定形状的叶轮。 [0018] 根据本发明的一个实施例，函数f(x)＝(16λ‑2K0+2K1‑8)·x4+(14+5K0‑3K1‑32λ)·3 2 x+(16λ‑4K0+K1‑5)·x+K0·x，根据设计要求给定β0、β1、K0、K1、λ。 [0019] 根据本发明的一个实施例，步骤S1中的至少两个轴面流线包括叶片的轮毂侧的轴面流线、叶片的轮缘侧的轴面流线。 [0021] 图1是根据本发明一个实施例的叶片式油气混输泵的叶轮的立体示意图； [0022] 图2是根据本发明一个实施例的油气混输泵优化设计模型轮毂侧、轮缘侧沿轴面流线长度的叶片安放角分布规律示意图。 [0023] 附图标记： [0024] 叶轮100， [0025] 轮毂10， [0026] 叶片20，第一端21，第二端22，轮毂侧23，轮缘侧24， [0027] 安放角β0，安放角β1。 具体实施方式[0028] 旋转机械是最常见的通用机械之一，广泛应用于工农业生产和日常生活中，其能耗在总能耗中占据重要地位，提高旋转机械的工作效率，对于实现节能减排和可持续发展具有重要的意义。实验研究和数值计算表明，合理的叶片结构，可以优化旋转机械内部流场，减小流动过程中的能量损失，达到提升效率的目的。 [0029] 传统的旋转机械叶片设计方法，一般通过经验公式进行叶片设计。这种设计方法能实现叶片的工作特性，但无法在设计过程中直观体现叶片结构。 [0030] 而且在实际油田油气混输中，含气率的变化范围较大，这对于混输泵的性能提出了很大要求，相关技术中的混输泵的性能还不够优秀，开采效率较低。 [0031] 为了解决上述问题，发明人提出一种叶片式油气混输泵的叶轮100及该叶轮100的设计方法。 [0032] 下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。 [0033] 如图1所示，根据本发明实施例的叶片式油气混输泵的叶轮100，该叶片式油气混输泵的叶轮100大体可以包括：轮毂10和叶片20。 [0034] 根据本发明实施例的叶片式油气混输泵的叶轮100，通过设置轮毂10和叶片20，且叶片20的安放角符合函数β(x)＝β0+(β1‑β0)·f(x)，f(x)为四次多项式函数，这种叶轮100可以提高混输泵的扬程和工作效率。 [0035] 具体而言，叶片20设于轮毂10的外周面，且叶片20沿轮毂10的轴向方向螺旋延伸，叶片20在延伸方向上具有第一端21和第二端22，叶片20具有连接轮毂10的轮毂侧23和远离轮毂10的轮缘侧24，叶片20的轴面流线的切线与垂直于轮毂10轴线的平面之间形成的安放角符合函数β(x)＝β0+(β1‑β0)·f(x)。 [0036] 其中，β0为轴面流线在第一端21的安放角，β1为轴面流线在第二端22的安放角，f(x)为轴面流线各处安放角的分布规律的无量纲四次多项式函数，x对应于轴面流线上的预定位置与第一端21之间沿该轴面流线的长度和该轴面流线的总长度之间的比值，f(x)为根据设计要求确定的连续函数，f(x)∈[0,1]，f(0)＝0，f(1)＝1，β0、β1为根据设计要求确定的参数。 [0037] 其中，需要说明的是，所述的轴面流向是指叶片20的螺旋延伸曲线，其中，叶片20的轮缘侧24和轮毂侧23均具有所述的轴面流线，而且，在从叶片20的轮毂侧23到轮缘侧24的方向上，叶片20上具有无数多个轴面流线，轴面流线示意出来的是叶片20的延伸趋势。 [0038] 本发明中可以选取叶片20上的一个面来构造出叶片20的构造面(考虑到叶片20可能出现的扭曲)，例如，以叶片20的迎流面或背流面确定叶片20的延伸趋势。以选取叶片20的中心平面确定叶片20的延伸趋势为例： [0039] 叶片20的中心平面是指：以轮毂10的轴线为中心作出一个切割轮毂10的柱面，这一个柱面会切割轮毂10形成一个绕轮毂10螺旋延伸的曲面，可以选取以这一曲面的中心线作为轮毂10的轴面流线，在叶片20上从叶片20的轮毂侧23到轮缘侧24的多个轴面流线组合成一个平面，即为轮毂10的中心平面。 [0040] 其中，所述中心线可以为：经过轮毂10轴线的平面与前述的曲面的交线的中点作为中心线上的一个点，将所有的点组合在一起形成的空间曲线即为所述中心线。 [0041] 另外，还可以采用其他的方式选取中心线，例如，以所述曲面在厚度方向的中心作为中心线，具体而言，以曲面的一个侧边上的点的法线、点与轮毂10轴线的垂线组合形成的面切割曲面形成线，并选取线的中点，将所述的中点组合即可形成所述的中心线。 [0042] 需要说明的是，上述对轴面流线的描述仅仅是为了描述轴面流线，在设计叶片20的过程中，可以在确定好叶片20上从轮毂侧23到轮缘侧24的所有轴面流线，并确定好叶片20各处的厚度(沿轮毂10轴向方向的尺寸)后，即可确定叶片20的形状。 [0043] 本发明主要涉及的是叶片20的延伸趋势，对于叶片20的厚度略有略有涉及。 [0044] 另外，从前面的描述中可以看出，构造面上具有多个轴面流线，这些轴面流线都可以根据本申请描述的方案进行设置，例如轮毂侧23的轴面流线、轮缘侧24的轴面流线、其他的轴面流线都可以满足本发明中描述的形状，各个轴面流线中的参数和方程β1、β0、f(x)等可以至少部分相同或各不相同。 [0045] 事实上，仅需要确定一个轴面流线即可确定叶片20的构造面，例如，垂直于轮毂10表面的构造面。 [0046] 当然，为了进一步地优化叶片20，可以采用差值法来确定构造面，本发明下述中描述了一些形成构造面的方法，另外，还可以将构造面与经过轮毂10轴线的平面的交线设置成圆弧形、直线型、抛物线型等等曲线或直线的形状，从而确定整个构造面。 [0047] 可以理解的是，四次多项式函数可以表示成f(x)＝a·x4+b·x3+c·x2+d·x+e的形式，其中，f(0)＝0，也就是说，e＝0 (1)；f(1)＝1，也即a+b+c+d＝1 (2)。 [0048] 此外，叶片20的轴面流线的切线与垂直于轮毂10轴线的平面之间形成的安放角符合函数β(x)＝β0+(β1‑β0)·f(x)，通过合理给定β0、β1的值(例如β0＝6.5°、β1＝21°)，也即叶片20的进口端和开口端的安放角度是设计的预定值，此预定值可以按照设计经验进行取值，也可以根据叶轮设计手册上的数值选取。另外，可以看出，叶片20沿轴面流线的安放角也符合四次多项式函数。 [0049] 需要说明的是，安放角是在叶片20的轴面流线的切线与垂直于轮毂10轴线的平面之间形成的，换句话说，取任一垂直于轮毂10轴线的平面，叶片20轴面流线上各点的切线穿过该平面，并与该平面形成夹角，此夹角即是叶片20的安放角。 [0050] 发明人经过长期实验和大量数据的统计和分析后发现，符合四次多项式函数分布的叶片20在运输流体时，叶片20的形状与内部流体的流动方向具有一致性，不会对流体的流速造成过大的影响，因此流速较快，从而扬程较大，因此本设计中的叶片20符合分布规律，可以提高泵送流体的效率以及扬程。相较于传统技术中的叶轮，具有本设计中的叶轮100的混输泵的水力性(也即扬程和工作效率)得到了显著的提升。 [0051] 一些实施例中，f’(0)＝K0，f’(1)＝K0，f’(0.5)＝λ，其中K0、K1、λ是根据设计要求4 3 选定的参数，所述四次多项式函数为f(x)＝(16λ‑2K0+2K1‑8)·x +(14+5K0‑3K1‑32λ)·x + 2 3 2 (16λ‑4K0+K1‑5)·x+K0·x。其中，f’(x)＝4ax+3bx+2cx+d，f’(0)＝K0，f’(1)＝K1，可以得出d＝K0(3)，4a+3b+2c+d＝K1(4)；f’(0.5)＝λ，也即λ＝a/16+b/8+c/4+d/2(5),联立方程(1)、(2)、(3)、(4)和(5)可得a＝16λ‑2K0+2K1‑8，b＝14+5K0‑3K1‑32λ，c＝(16λ‑4K0+K1‑5)，d 4 3 2 ＝K0,e＝0，也即f(x)＝(16λ‑2K0+2K1‑8)·x+(14+5K0‑3K1‑32λ)·x+(16λ‑4K0+K1‑5)·x +K0·x。此外，K0、K1、λ、β0、β1是根据设计要求选定的参数，这样，x为唯一变量，x与β(x)存在一一对应关系，通过确定x的值即可确定叶片20的安放角，也就是说，整个叶片20的螺旋延伸的方向在确定了参数后是一定的，这样，便于加工生产。 [0052] 一些可选实施例中，参数K0和K1均在0到2的范围内，参数λ在0.4到0.6的范围内，β0和β1根据设计要求确定。其中，K0、K1可以是0.5、1、1.5等，λ可以是0.4、0.45、0.5、0.55等，例如，当K0＝1、K1＝1、λ＝0.4时，轮毂10处和轮缘处叶片20安放角分布均符合四次多项式f(x)4 3 2 ＝1.6x‑3.2x+1.6x+x。相比于传统油气混输泵，具有本设计的叶轮100的混输泵水力性能显著提升。与原有的混输泵相比，在含气率为0％时，扬程与效率分别提高7.21％和0.52％，在含气率为20％时，扬程与效率分别提高5.10％和1.86％。以上可明显证明基于四次多项式的叶轮100的设计方法的可行性及优越性。 [0053] 进一步地，可以理解，基于四次多项式函数对叶轮100进行设计优化时，保持K0、K1、和β0、β1四个参数不变，通过改变λ这个参数，从而可以改变从叶片20第一端21至叶片20第二端22的安放角变化规律。 [0054] 一些优选实施例中，如图2所示，叶片20的轮毂侧23的轴面流线上各处的安放角均大于叶片20的轮缘侧24的轴面流线上对应位置的安放角。这样，轮毂侧23的轴面流线与轮缘侧24的轴面流线不会发生交汇，也即叶片20的宽度不会发生突变，从而避免叶片20变形、断裂等情况出现。 [0055] 进一步优选地，如图2所示，叶片20的轮毂侧23的轴面流线上各处的安放角均大于叶片20的轮缘侧24的轴面流线上对应位置的安放角，两安放角之间的差值一定。这样，方便了生产。 [0056] 一些具体实施例中，如图1所示，在从第一端21到第二端22的方向上叶片20的宽度尺寸先增大后减小。油气混合物经过叶片20时，流道面积发生渐变，根据流体力学渐缩和突扩管的物理性质，在流道突然变化后，混合流体会产生漩涡并剧烈的掺混，从而使得进入流道的油气混合物混合更加均匀。当然，上述实施例仅是示意性的，并不能理解为对本发明保护范围的限制，例如，在从第一端21到第二端22的方向上叶片20的宽度尺寸不变。 [0057] 一些可选实施例中，轮毂10和叶片一体成型或通过焊接形成为一体。可以理解，叶片具有运输油气混合物的功能，受力较大，且工作时间较长，轮毂10和叶片之间如果连接不够稳定，一段时间后，二者可能会分离。一体成型件和焊接连接方式可以使轮毂10和叶片之间连接稳定，避免叶片在工作过程中出现脱落。 [0058] 根据本发明实施力的叶轮100的制作方法，其中，叶轮100的制作方法包括：S1，根据叶轮的使用要求确定叶片20上从轮毂侧23到轮缘侧24的方向上的至少两个轴面流线的安放角β0、安放角β1以及函数f(x)；S2，根据S1中的至少两个轴面流线利用插值法确定叶轮 100上其他位置的轴面流线。 [0059] 举例而言，首先根据叶轮100的实际工作状况，确定轮毂侧23的轴面流线的安放角β0、β1的数值，以及四次多项式函数f(x)中λ、K0和K1的值，同时确定轮缘侧24的轴面流线的安放角β24,0、β24,1的数值，以及四次多项式函数f(x)中λ24、K24,0和K24,1的值，有利地，为了方便生产，λ＝λ24、K0＝K24,0、K1＝K24,1，β1‑β0＝β24,1‑β24,0，这样，也就确定了叶片20两端轴面与轮毂10相连的一侧和远离轮毂10一侧的形状。可以知道，在轮毂侧23轴面流线到轮缘侧24轴面流线之间还有无数条轴面流线，这些轴面流线是无法穷举的，因此，可以利用插值法来确定其它位置的轴面流线，这样，轮毂10上叶片20的形状被确定。当然，上述实施例仅是示意性的，并不能理解为对本发明保护范围的限制，例如，也可以选择轮缘侧24轴面流线和轮毂侧23轴面流线中间的任意两条或三条或更多条轴面流线。 [0060] 根据本发明实施例的叶轮100的制作方法，通过步骤S1和S2，可以设计出一个满足四次多项式函数的叶轮100，这种叶轮100的制作方法设计简单，实施方便，将该种叶轮100的制作方法运用到油气混输泵的参数优化设计上，能提高泵的水力性能。 [0061] 一些实施例中，函数f(x)＝(16λ‑2K0+2K1‑8)·x4+(14+5K0‑3K1‑32λ)·x3+(16λ‑2 4K0+K1‑5)·x+K0·x，根据设计要求给定β0、β1、K0、K1、λ。通过给定β0、β1、K0、K1这五个参数，即可确定一条轴面流线上的叶片20安放角，从而确定叶片20几何形状。其中，β0、β1可以根据设计要求结合经验优选，λ在0.4到0.6的范围内任意取值，K0、K1可以在0到2的范围内任意取值。例如，β0＝10°、β1＝20°、λ＝0.5，K0＝0.8、K1＝1.2。 [0062] 另外，可以确定的是，在相关技术中，可以很容易获得根据经验获取β0、β1的值，而在包括《叶片泵设计手册》在内的一些相关资料(又例如《叶片泵原理及水力设计》.机械工业出版社,北京,1998年6月,第一版.查森)中，也已经给出了如何根据叶片泵使用需求确定叶片的入口安放角、出口安放角的对照方案。因此，β0、β1的值可以根据经验或相关设计手册很容易地获得，而对于K0、K1、λ可以很容易地根据经验取得，例如，将参数K0和K1均在0到2的范围内，参数λ在0.4到0.6的范围内，根据设计要求可以在这一个范围内任意选取。 [0063] 进一步地，K0、K1、λ的取值可以随着扬程的增大而增大。 [0064] 一些具体实施例中，步骤S1中的至少两个轴面流线包括叶片20的轮毂侧23的轴面流线、叶片20的轮缘侧24的轴面流线。如图1和图2所示，通过叶片20上沿轴面流线各点处的叶片20安放角可以确定混输泵叶片20几何形状。 [0065] 其中，叶片20安放角沿轴面流线的变化规律可以用函数β(x)＝β0+(β1‑β0)·f(x)进行表示，β0为轴面流线在第一端21的安放角，β1为轴面流线在第二端22的安放角，f(x)为轴面流线各处安放角的分布规律的无量纲四次多项式函数，x对应于轴面流线上的预定位置与第一端21之间沿该轴面流线的长度和该轴面流线的总长度之间的比值，f(x)为根据设计要求确定的连续函数。 [0066] 基于四次多项式对叶轮100进行设计优化时，保持β0、β1、K0、K1四个参数不变，改变λ这个参数，从而改变从叶片20进口至叶片20出口的安放角变化规律。本发明给出的一种叶片20安放角如图2所示，轮毂侧23和轮缘侧24叶片20安放角分布均符合四次多项式f(x)＝4 3 2 1.6x‑3.2x+1.6x+x，也即K0＝1、K1＝1、λ＝0.4。 [0067] 相比于传统油气混输泵，具有应用本设计方法设计的叶轮100的混输泵水力性能显著提升。与原有的油气混输泵相比，在含气率为0％时，扬程与效率分别提高7.21％和 0.52％，在含气率为20％时，扬程与效率分别提高5.10％和1.86％。以上可明显证明基于四次多项式的叶片20设计方法的可行性及优越性。 [0068] 一些可选实施例中，步骤S2中的插值法为样条插值。样条插值法是一种以可变样条来作出一条经过一系列点的光滑曲线的数学方法。插值样条是由一些多项式组成的，每一个多项式都是由相邻的两个数据点决定的，这样，任意的两个相邻的多项式以及它们的导数(不包括九阶导数)在连接点处都是连续的。 [0069] 当然，上述实施例仅是示意性的，并不能理解为对本发明保护范围的限制，例如，步骤S2中的插值法也可为Lagrange插值、Newton插值、Hermite插值或分段插值等。 [0070] Lagrange插值是n次多项式插值，其成功地用构造插值基函数的方法解决了求n次多项式插值函数问题。将待求的n次多项式插值函数pn(x)改写成另一种表示方式，再利用插值条件确定其中的待定函数，从而求出插值多项式。 [0071] Newton插值也是n次多项式插值，它提出另一种构造插值多项式的方法，与Lagrange插值相比，具有承袭性和易于变动节点的特点。将待求的n次插值多项式Pn(x)改写为具有承袭性的形式，然后利用插值条件⑴确定Pn(x)的待定系数，以求出所要的插值函数。 [0072] Hermite插值是利用未知函数f(x)在插值节点上的函数值及导数值来构造插值多项式的，其提法为：给定n+1个互异的节点x0，x1，x2……xn上的函数值和导数值，它与被插函数一般有更好的密合度。 [0073] 分段插值将被插值函数f〔x〕的插值节点由小到大排序，然后每对相邻的两个节点为端点的区间上用m次多项式去近似f〔x〕。 [0074] 在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。 |
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