設計計算柱塞自旋轉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。該泵的關鍵部分是柱塞自旋轉體和半球旋轉式固定閥，柱塞自旋轉體內有一個旋槳，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，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，結果表明，在一個沖程內，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)的主要內容。美國MidwaySunset油田是質地疏松的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。采用旋轉柱塞泵后的2年時間內，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%.結構及工作原理柱塞自旋轉整筒管式抽油泵由泵筒、油管旋流器、柱塞自旋轉體和半球旋轉式固定閥構成。油管旋流器位于泵的上部，半球旋轉式固定閥位于泵的下部，其結構如圖所示。

　　柱塞自旋轉整筒管式抽油泵結構示意一抽油桿；2―油管旋流器；3―柱塞自旋轉整筒管式抽油泵筒；4一自旋轉柱塞總成；5―半球旋轉式固定閥2.工作原理柱塞自旋轉整筒管式抽油滎的關鍵部分是柱塞自旋轉體和半球旋轉式固定閥。當流體流過柱塞自旋轉體時，液流沿著柱塞自旋轉體內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。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。柱塞自旋轉整筒管式抽油泵的半球自旋轉式固定閥采用儲能復位裝置，可以縮短半球閥關閉時間，半球閥旋轉攪動液體防止砂粒沉積，防止撞擊時對密封帶的破壞，旋轉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體的關鍵部件，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。

　　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。通過模擬計算結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。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，旋槳旋轉帶動柱塞旋轉，柱塞與泵筒間隙配合，因此，柱塞旋轉時還受到泵筒與柱塞之間的粘性阻力作用。根據(jù)牛頓內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）通過對柱塞自旋轉整筒管式抽油泵自旋轉體的數(shù)值模擬計算，可以得出：在1個沖程內，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。