長沙中開泵資深廠家對深井泵泵內流場的實驗研究

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

　　4實驗結果及分析

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

　　4.1深井泵泵閥運動規律

　　在試驗中發現，深井泵泵閥的運動規律和以住人們對它的認識不完全相同，它的運動除了有垂直方向的直線運動，還伴隨有兩種旋轉運動。當柱塞運動速度較小時，閥球繞水平軸上下旋轉；當柱塞運動速度較大時，閥球繞豎直軸水平自轉并且沿閥座內孔邊角即閥座孔圓心軸公轉。其旋轉角速度與柱塞的運動速度有關，柱塞運動速度越大，閥球旋轉角速度就越大。閥球的特殊運動形式主要與閥球、閥座結構的特殊性及流體的沖擊有關。深井泵泵閥是一個球形閥件，當流體繞過它流動時，在其后部將發生附面層的脫離現象，同時產生一個橫向激動力。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，這就是“公轉”現象。

　　另外，由于流體流動的不穩定以及閥球的偏離造成流體相對閥球流動的不對稱性，對閥球將產生一定的撓動，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動，即“自轉”現象。以上結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，此時閥球運動就更加復雜，除了旋轉運動以外，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，從而使得閥球產生旋轉運動。隨著沖次的增加，流體流速的提高，閥球邊界層更早發生脫離，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烈，這和試驗過程中所觀察到的閥球運動規律是一致的。

　　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”的影響，使得閥球在開啟和關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系，為使閥球盡量接近于理想狀態下的上下垂直運動，并且為了減少閥隙的過流阻力，可以改進閥罩和閥座的設計，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動，并將閥罩及閥座外形設計成流線型，以此來減小過流阻力。這些改進可以減小閥球的擾動及縮短開啟和關閉的滯后時間，從而達到提高泵效的目的。

　　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。這是因為柱塞進行下沖程運動時，由于柱塞底端有一定的面積，從而在向下運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，游動閥球下端的液體被壓入游動閥隙，并進入柱塞內腔，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以下的流場特征：柱塞內部管流呈對稱流動狀態，而且流線分布較均勻。這說明柱塞內部管流穩定，大致呈層流流動狀態，這一點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生水平速度分量，尤其是在拐角處出現了渦旋,從而產生負壓，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，出口處過流阻力也相應加大。為了減少渦旋的產生，從該部位分析可知，若柱塞出口拐角處設計成流線型或在該部位制造倒角應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

　　對深井泵應做以下改進：

　　(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，應該盡量采用流線型，以減小過流阻力。

　　(3)在設計柱塞的結構時，應該考慮將柱塞下端的吸入口設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年水泵技術的累積，對長沙中開泵和深井泵的研究極其透徹。

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