設計計算柱塞自旋轉(zhuǎn)整筒管式抽油泵旋槳的數(shù)值模擬魯廣立1朱宏武2張金亞2（1.北京廣立科技有限公司2.中國石油大學北京）筒管式抽油泵。該泵的關(guān)鍵部分是柱塞自旋轉(zhuǎn)體和半球旋轉(zhuǎn)式固定閥，柱塞自旋轉(zhuǎn)體內(nèi)有一個旋槳，流體流過旋槳時，可對旋槳產(chǎn)生力矩，推動旋槳連同柱塞一起旋轉(zhuǎn)，達到除砂目的。應用CFD軟件對旋槳處的流場做數(shù)值模擬計算，結(jié)果表明，在一個沖程內(nèi)，流體流過旋槳時可以產(chǎn)生足夠的力使旋槳帶動柱塞一起旋轉(zhuǎn)5.72°，達到了設計要求，解決了泵筒的砂卡和砂埋問題。

　　基金項目：北京市教育委員會重點學科資助項目“機械工程重點學科”（XK114M0594）。該產(chǎn)品已獲國家zhuanli，zhuanli號：ZL022目前國內(nèi)普遍使用的抽油泵是美式常規(guī)抽油泵。這種抽油泵在上下運行過程中，是單一的直線運行，抽油過程中的砂卡和砂埋問題相當嚴重。以大港油田第一采油廠的情況為例進行分析，從2005年該采油廠停產(chǎn)井統(tǒng)計情況分析數(shù)據(jù)可以看出，由于砂卡、砂埋停產(chǎn)76次，占停產(chǎn)次數(shù)的30.65%.因此，砂卡、砂埋停產(chǎn)井仍然是維護性作業(yè)的主要內(nèi)容。美國MidwaySunset油田是質(zhì)地疏松的Potter砂巖油層，砂害使得抽油泵的故障率很高，雖然采取了一些防砂措施，但效果不大明顯。采用旋轉(zhuǎn)柱塞泵后的2年時間內(nèi)，其井下維修費用降低37%，檢泵頻率下降51%，抽油泵維修費用下降48%.為此，中國石油大學（北京）和北京廣立科技有限公司聯(lián)合研制了柱塞自旋轉(zhuǎn)整筒管式抽油泵，2002年至今在遼河、勝利、大港、南陽、江漢等油田進行了試驗，取得了良好的效果，解決了抽油過程中的砂卡、砂埋問題，同時提高泵效5%~8%，提高產(chǎn)液量25%.結(jié)構(gòu)及工作原理柱塞自旋轉(zhuǎn)整筒管式抽油泵由泵筒、油管旋流器、柱塞自旋轉(zhuǎn)體和半球旋轉(zhuǎn)式固定閥構(gòu)成。油管旋流器位于泵的上部，半球旋轉(zhuǎn)式固定閥位于泵的下部，其結(jié)構(gòu)如圖所示。

　　柱塞自旋轉(zhuǎn)整筒管式抽油泵結(jié)構(gòu)示意一抽油桿；2―油管旋流器；3―柱塞自旋轉(zhuǎn)整筒管式抽油泵筒；4一自旋轉(zhuǎn)柱塞總成；5―半球旋轉(zhuǎn)式固定閥2.工作原理柱塞自旋轉(zhuǎn)整筒管式抽油滎的關(guān)鍵部分是柱塞自旋轉(zhuǎn)體和半球旋轉(zhuǎn)式固定閥。當流體流過柱塞自旋轉(zhuǎn)體時，液流沿著柱塞自旋轉(zhuǎn)體內(nèi)旋槳的螺旋槽螺旋上升，螺旋流動時在旋槳葉片的兩面產(chǎn)生壓力差，進而產(chǎn)生力矩，推動旋槳旋轉(zhuǎn)。柱塞上端旋流器和旋流桿動連接，旋槳推動柱塞沿螺紋旋緊的方向旋轉(zhuǎn)下行，柱塞外工作面的刮砂槽將泵筒與柱塞間隙中的垢物與砂粒刮進槽中，保持柱塞工作段清潔，杜絕砂卡。柱塞上端的旋流器在柱塞抽汲原油的過程中旋轉(zhuǎn)運行，攪動原液，防止柱塞上端的砂粒沉積，解決了柱塞上端的砂埋問題。

　　常規(guī)栗栗效低的主要原因是由于球閥對底座存在一次以上的沖擊，不能迅速關(guān)閉，造成液體流失。

　　同時閥座的密封帶上經(jīng)常會沉積細小的砂粒，對密封帶造成傷害，達到一定程度就會密封不嚴，形成泄漏，降低泵效。柱塞自旋轉(zhuǎn)整筒管式抽油泵的半球自旋轉(zhuǎn)式固定閥采用儲能復位裝置，可以縮短半球閥關(guān)閉時間，半球閥旋轉(zhuǎn)攪動液體防止砂粒沉積，防止撞擊時對密封帶的破壞，旋轉(zhuǎn)密封的同時還可消除撞擊產(chǎn)生的磁性，保護固定閥座。同時，半球式設計增加球閥關(guān)閉時的受壓，使球閥不能二次彈起，避免液體漏失，起到提高泵效的作用。

　　對旋槳的數(shù)值模擬旋槳是自旋轉(zhuǎn)體的關(guān)鍵部件，它與柱塞通過螺紋連接，流體流動所產(chǎn)生的力使旋槳帶動柱塞一起做旋轉(zhuǎn)運動，從而達到除砂的目的。因此，筆者對旋槳處的流場做了數(shù)值模擬，得到流體流過旋槳時，對旋槳葉片產(chǎn)生的壓力情況，進而得出流體對旋槳所產(chǎn)生的扭矩，并與由于流體介質(zhì)的粘性所產(chǎn)生的阻力進行比較，從而判斷抽油過程中旋獎是否可以按照設計目的產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。

　　為在Pro/e中建立的旋槳模型圖。針對旋槳處流場的特征，將流場分為2個部分，以便于劃分更為合理的網(wǎng)格。流場網(wǎng)格總數(shù)為23. 87萬個，如所示。

　　旋槳處流場計算網(wǎng)格圖邊界條件：進口為速度人口；出口在旋槳的出口進行了一定的延長，并設為自由出口邊界條件；壁面為無滑移壁面邊界條件。

　　104m3/s的工況下，用Fluent軟件模擬了旋槳處的流場，介質(zhì)為原油，密度為9kg/m3，動力粘度2Pa.s.湍流模型選取雷諾應力模型，計算的迭代誤差為1經(jīng)過迭代得到了旋槳處的流場情況，和5分別為旋槳吸力面和壓力面的靜壓分布云圖。分析兩圖可以明顯地發(fā)現(xiàn)：沿著螺旋面，壓力均勻變化，不存在突變情況；在同一徑向位置，壓力面所對應的靜壓明顯高于吸力面所對應的靜壓。軟件輸出單個葉片的扭矩為0.0957Nm，則流體流過旋槳時對3個葉片產(chǎn)生的總扭矩為3x0.095旋槳壓力面的靜壓分布云圖同時，由于流體的粘性會產(chǎn)生反方向的摩擦力，阻止旋槳旋轉(zhuǎn)。通過模擬計算結(jié)果可以得到流體的粘性對單個葉片的阻力力矩為。31 Nm，則流體流過旋槳時，流體的粘性對3個葉片產(chǎn)生的作用在旋槳葉片上的總扭矩為。287 10.0930=0.1941Nm，此扭矩推動旋槳旋轉(zhuǎn)。旋槳葉片處的半徑為16mm，把流體對旋槳的力簡化為作用在葉片頂端的力，計算可得F=12.13N0旋槳與柱塞通過螺紋連接，旋槳旋轉(zhuǎn)帶動柱塞旋轉(zhuǎn)，柱塞與泵筒間隙配合，因此，柱塞旋轉(zhuǎn)時還受到泵筒與柱塞之間的粘性阻力作用。根據(jù)牛頓內(nèi)摩擦定律可得粘滯切應力F――泵筒與柱塞之間的切向粘性阻力，F(xiàn)= A――柱塞與泵筒之間的配合面積，―栗筒與柱塞配合間隙之間的速度梯ay度；du―-栗筒與柱塞配合間隙之間切向的速度變化；d）一一泵筒與柱塞配合間隙，取辦=設泵的沖次為5mirT1，則半個沖程所需時間結(jié)束語第一：魯廣立，篼級工程師，生于1937年，1959年畢業(yè)于第二篼射炮兵學院（現(xiàn)導彈學院），主要從事抽油設備的研究和開發(fā)工作。地址：（100070）北京市。電-06-29（本文編輯丁莉萍）通過對柱塞自旋轉(zhuǎn)整筒管式抽油泵自旋轉(zhuǎn)體的數(shù)值模擬計算，可以得出：在1個沖程內(nèi)，流體流過旋槳時可以產(chǎn)生足夠的力使旋槳帶動柱塞一起旋轉(zhuǎn)5.72°，達到了設計要求，解決了泵筒的砂卡和砂埋問題。

　　柱塞自旋轉(zhuǎn)整筒管式抽油泵作為一種新型抽油栗，可防止泵筒中砂卡現(xiàn)象的發(fā)生，是降低維護性作業(yè)工作量的手段之一。