一种高转速多相混输泵叶轮可视化装置

1.本实用新型属于流体机械与石油工程多相流交叉技术领域，具体涉及一种高转速多相混输泵叶轮可视化装置。

背景技术：

2.随着海洋油气资源的利用逐步向深海进军，油气开采深度和混输管线长度逐年增长，引起长输管线流动阻力大幅增加，严重影响了油气产量和生产安全。为有效提高油气采输产量，需要在混输管线上加装多相混输泵，实现油气水多相流体同时增压。然而，在输运多相混合物时，混输泵的性能会随着不同气体含量而发生不同程度的恶化。在特定工况下，叶轮流道内气团的不断形成和释放会使混输泵在两个工况点之间不稳定地震荡，从而引起管路系统流量、压力的剧烈波动。因此，准确揭示多相混输泵叶轮内气液流动状态及气体分布特性对多相混输泵增压特性的研究及实际油气开采输运的高效稳定尤为重要。
3.目前，受限于可视化叶轮的结构特性，多相混输泵叶轮可视化的研究主要集中在低转速，高转速下的多相混输泵叶轮可视化研究和相关技术未见有正式报道，实际应用中高转速多相混输泵叶轮内的气液流型和气体分布特性缺乏客观准确的认识。

技术实现要素：

4.为了解决上述现有问题，本实用新型的目的在于提供一种高转速多相混输泵叶轮可视化装置，能够深入揭示高转速多相混输泵叶轮内的气液流动特性，对保障油气混输管线的安全及提高油气产量具有重要意义。
5.本实用新型通过以下技术方案来实现：
6.本实用新型公开的一种高转速多相混输泵叶轮可视化装置，包括图像采集装置、轴以及依次连接的入口透明段、透明叶轮上盖板、叶轮、滑动轴承、扩压器、出口弯管和轴承箱；叶轮和滑动轴承串联固定在轴上，并随轴同步转动，轴与轴承箱连接；叶轮上安装有l型叶轮口环，入口透明段上安装有摩擦环，摩擦环与l型叶轮口环配合；出口弯管和轴承箱之间设有密封装置；图像采集装置朝向透明叶轮上盖板设置。
7.优选地，图像采集装置包括补光光源、高速相机和三维坐标位移台，高速相机固定在三维坐标位移台上，补光光源和高速相机位于入口透明段的同侧且朝向透明叶轮上盖板设置。
8.进一步优选地，叶轮涂刷有白反光漆。
9.优选地，扩压器的两端分别通过法兰和连接件与入口透明段和出口弯管连接，并且法兰之间设有o型密封。
10.优选地，扩压器与入口透明段和出口弯管之间均设有止口。
11.优选地，密封装置为集装式机械密封。
12.优选地，叶轮与l型叶轮口环之间、入口透明段与摩擦环之间均通过螺丝紧固连接；l型叶轮口环与摩擦环间隙配合。
13.优选地，透明叶轮上盖板所在区域的入口透明段与透明叶轮上盖板的倾斜度相等。
14.优选地，透明叶轮上盖板通过黑防水强力胶与叶轮粘结密封。
15.优选地，透明叶轮上盖板与叶轮之间的接触面曲率相等。
16.与现有技术相比，本实用新型具有以下有益的技术效果：
17.本实用新型公开的一种高转速多相混输泵叶轮可视化装置，在最大限度地减少非原装部件对泵性能的影响基础上，通过优化入口透明段和叶轮结构，实现高转速下叶轮内气液流动及气泡分布的可视化观察。装置中贴近叶轮端的入口透明段设置摩擦环、叶轮设置l型叶轮口环实现紧固连接，保证了高转速下多相混输泵的稳定运行。图像采集装置拍摄记录能够与压力、流量等信号的采集分别同步进行。结合可视化图像与压力、流量等信号的测量结果定性和定量确定叶轮内的气液流动特性和气泡分布对多相混输泵增压性能的影响。本实用新型能够深入揭示转速、入口含气率等参数对叶轮内气液流动及气泡分布的影响，准确描述叶轮内气液流动对多相混输泵增压性能的影响规律，对保障油气混输管线的安全及提高油气产量具有重要意义。
18.进一步地，图像采集装置中的补光光源能够提高采集图像的清晰度，高速相机通过三维坐标位移台能够多自由度移动，获得最佳成像。
19.更进一步地，叶轮涂刷有白反光漆，用于反射补光光源的光线。
20.进一步地，扩压器的两端分别通过法兰和连接件与入口透明段和出口弯管连接，并且法兰之间设有o型密封，保证了连接紧密和密封性能，且易于频繁拆装更换内部零件，在应用中十分灵活，可重复性强。
21.进一步地，扩压器与入口透明段和出口弯管之间均设有止口，保证了同轴度和装置的密封性能。
22.进一步地，密封装置采用集装式机械密封，结构紧凑、安装及拆卸方便、密封性能好。
23.进一步地，透明叶轮上盖板所在区域的入口透明段与透明叶轮上盖板的倾斜度相等，有效减少光路折射的影响；
24.进一步地，透明叶轮上盖板通过黑防水强力胶与叶轮粘结密封，实现透明叶轮上盖板与叶轮紧密连接，保证了高转速下多相混输泵的稳定运行，同时黑能够构建清晰的叶轮流道边界。
25.进一步地，透明叶轮上盖板与叶轮之间的接触面保持相同的曲率，避免了气液流体通过间隙串流。
附图说明
26.图1为本实用新型的整体结构示意图；
27.图2为采用本实用新型获得的叶轮内均匀泡状流图像；
28.图3为采用本实用新型获得的叶轮内气团流图像；
29.图4a为转速n＝1500rpm时叶轮内的气泡尺寸概率密度分布图；
30.图4b为转速n＝3500rpm时叶轮内的气泡尺寸概率密度分布图。
31.图中：1为补光光源，2为高速相机，3为三维坐标位移台，4为入口透明段，5为摩擦
环，6为叶轮，7为扩压器，8为出口弯管，9为轴承箱，10为密封装置，11为底座，12为轴，13为滑动轴承，14为透明叶轮上盖板，15为l型叶轮口环。
具体实施方式
32.下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步详细描述，其内容是对本实用新型的解释而不是限定：
33.如图1，本实用新型的一种高转速多相混输泵叶轮可视化装置，包括图像采集装置、轴12以及依次连接的入口透明段4、透明叶轮上盖板14、叶轮6、滑动轴承13、扩压器7、出口弯管8和轴承箱9；叶轮6和滑动轴承13串联固定在轴12上，并随轴12同步转动，轴12与轴承箱9连接；叶轮6上安装有l型叶轮口环15，入口透明段4上安装有摩擦环5，摩擦环5与l型叶轮口环15配合；出口弯管8和轴承箱9之间设有密封装置10；图像采集装置朝向透明叶轮上盖板14设置。轴承箱9和扩压器7通过螺栓水平安装在底座11上。
34.入口透明段4和透明叶轮上盖板14采用高透光有机材料制成。
35.在本实用新型的一个较优的实施例中，图像采集装置包括补光光源1、高速相机2和三维坐标位移台3，高速相机2固定在三维坐标位移台3上，补光光源1和高速相机2位于入口透明段4的同侧且朝向透明叶轮上盖板14设置。优选地，叶轮6涂刷有白反光漆。
36.在本实用新型的一个较优的实施例中，扩压器7的两端分别通过法兰和连接件与入口透明段4和出口弯管8连接，并且法兰之间设有o型密封。
37.在本实用新型的一个较优的实施例中，扩压器7与入口透明段4和出口弯管8之间均设有止口。
38.在本实用新型的一个较优的实施例中，密封装置10为集装式机械密封。
39.在本实用新型的一个较优的实施例中，叶轮6与l型叶轮口环15之间、入口透明段4与摩擦环5之间均通过螺丝紧固连接；l型叶轮口环6与摩擦环5间隙配合。
40.在本实用新型的一个较优的实施例中，透明叶轮上盖板14所在区域的入口透明段4与透明叶轮上盖板14的倾斜度相等；透明叶轮上盖板14通过黑防水强力胶与叶轮6粘结密封。
41.在本实用新型的一个较优的实施例中，透明叶轮上盖板14与叶轮6之间的接触面保持相同的曲率，避免了气液流体通过间隙串流。
42.在本实用新型的一个较优的实施例中，透明叶轮上盖板14采用加厚的方式保证了透明叶轮上盖板14高转速工况的强度要求。
43.上述高转速多相混输泵叶轮可视化装置的工作方法，包括：
44.步骤一，高速相机2固定在三维坐标位移台3上，补光光源1和高速相机2沿着入口透明段4同侧布置，拍摄方向与叶轮透明上盖板14倾斜方向垂直。调整光源强度、高速相机2焦距光圈和相对位置获得叶轮6通道的最佳成像。
45.步骤二，在透明叶轮上盖板14和高速相机2之间固定一个恒定尺寸的参照物，保持高速相机2的焦距不变，移动三维坐标位移台3，使得高速相机2获得参照物的最佳成像，确定参照物尺寸对应的像素个数，完成高速相机2该焦距下的尺寸标定。
46.步骤三，标定结束后，移动三维坐标位移台3至步骤一位置，调节系统工况，稳定后进行叶轮内气液流型及气泡分布的观察拍摄和压力、流量、转速和扭矩等信号的采集记录。
气液流型包括泡状流、气团流和分离流等流型结构和气泡分布特征，均能通过可视化拍摄获得。
47.增加高速相机2的快门速度，确保高转速工况能够清晰地观测拍摄叶轮流道内的气液分布。
48.下面以具体实施例来对本实用新型进行进一步的解释说明：
49.实施例1
50.本实施例中，对叶轮内不同气液流型的可视化捕捉方法，并对该方法进行详细描述，具体实施如下：
51.实施例条件：多相混输泵入口水流量15m3/h，入口体积含气率分别为0.2％和2.9％，转速1500rpm，可视化入口压力0.1mpa。将高速相机2和补光光源1架设至入口透明段4同侧，光路由光源经过可视段照射到叶轮6流道内的反光漆再经过可视段进入高速相机2成像。调节相对位置，光源强度，相机焦距光圈大小等，以获得清晰成像。混输泵进出口连接系统管路，通入气液两相流体，调节混输泵转速和气液流量至指定值，工况稳定后，高速相机2进行拍摄，拍摄速度2000帧/秒，快门速度1/100000秒。
52.实施例结果：图2为采用本实用新型装置借助高速摄像拍摄的多相混输泵叶轮内均匀泡状流图像。由于气液界面对光路的反射，视野相对较暗；纯气或纯液区域视野相对较亮。气泡大小分布均匀，气泡界面清晰可见。图3为多相混输泵叶轮内气团流的气液相界面图像，叶轮流道入口处形成的气团与液相之间有明显的相界面。
53.实施例2
54.本实施例通过转速变化获得了叶轮内气泡尺寸的概率密度分布变化特性，具体实施如下：
55.实施例条件：多相混输泵入口水流量15m3/h，体积含气率分别为0.2％，转速分别为1500rpm、3500rpm，可视化入口压力0.1mpa。混输泵进出口连接系统管路，通入气液两相流体，调节混输泵转速和气液流量至指定值。工况稳定后，高速相机进行拍摄，拍摄速度2000帧/秒，快门速度1/200000秒。
56.实施例结果：图4a和图4b分别为本实用新型装置获得的不同转速下叶轮内气泡尺寸的概率密度分布(pdf)特性。不同转速下叶轮内的气泡尺寸分布特性是有明显区别的。低转速的气泡尺寸分布相对分散，高转速的气泡尺寸分布集中。低转速的气泡尺寸整体大于高转速的气泡尺寸。通过该装置与方法能够准确将转速对气泡尺寸分布特性的影响进行展现。
57.以上所述仅为本实用新型实施例，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内可轻易想到的变化或者替换，或利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或者等效流程变换，或直接、间接运用在其他相关技术领域的情况，均应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

技术特征：

1.一种高转速多相混输泵叶轮可视化装置，其特征在于，包括图像采集装置、轴(12)以及依次连接的入口透明段(4)、透明叶轮上盖板(14)、叶轮(6)、滑动轴承(13)、扩压器(7)、出口弯管(8)和轴承箱(9)；叶轮(6)和滑动轴承(13)串联固定在轴(12)上，并随轴(12)同步转动，轴(12)与轴承箱(9)连接；叶轮(6)上安装有l型叶轮口环(15)，入口透明段(4)上安装有摩擦环(5)，摩擦环(5)与l型叶轮口环(15)配合；出口弯管(8)和轴承箱(9)之间设有密封装置(10)；图像采集装置朝向透明叶轮上盖板(14)设置。2.根据权利要求1所述的高转速多相混输泵叶轮可视化装置，其特征在于，图像采集装置包括补光光源(1)、高速相机(2)和三维坐标位移台(3)，高速相机(2)固定在三维坐标位移台(3)上，补光光源(1)和高速相机(2)位于入口透明段(4)的同侧且朝向透明叶轮上盖板(14)设置。3.根据权利要求2所述的高转速多相混输泵叶轮可视化装置，其特征在于，叶轮(6)涂刷有白反光漆。4.根据权利要求1所述的高转速多相混输泵叶轮可视化装置，其特征在于，扩压器(7)的两端分别通过法兰和连接件与入口透明段(4)和出口弯管(8)连接，并且法兰之间设有o型密封。5.根据权利要求1所述的高转速多相混输泵叶轮可视化装置，其特征在于，扩压器(7)与入口透明段(4)和出口弯管(8)之间均设有止口。6.根据权利要求1所述的高转速多相混输泵叶轮可视化装置，其特征在于，密封装置(10)为集装式机械密封。7.根据权利要求1所述的高转速多相混输泵叶轮可视化装置，其特征在于，叶轮(6)与l型叶轮口环(15)之间、入口透明段(4)与摩擦环(5)之间均通过螺丝紧固连接；l型叶轮口环(15)与摩擦环(5)间隙配合。8.根据权利要求1所述的高转速多相混输泵叶轮可视化装置，其特征在于，透明叶轮上盖板(14)所在区域的入口透明段(4)与透明叶轮上盖板(14)的倾斜度相等。9.根据权利要求1所述的高转速多相混输泵叶轮可视化装置，其特征在于，透明叶轮上盖板(14)通过黑防水强力胶与叶轮(6)粘结密封。10.根据权利要求1所述的高转速多相混输泵叶轮可视化装置，其特征在于，透明叶轮上盖板(14)与叶轮(6)之间的接触面曲率相等。

技术总结

本实用新型公开的一种高转速多相混输泵叶轮可视化装置，属于流体机械与石油工程多相流交叉技术领域。包括图像采集装置、轴以及依次连接的入口透明段、透明叶轮上盖板、叶轮、滑动轴承、扩压器、出口弯管和轴承箱；叶轮和滑动轴承串联固定在轴上，并随轴同步转动；叶轮上安装有L型叶轮口环，入口透明段上安装有摩擦环，摩擦环与L型叶轮口环配合；出口弯管和轴承箱之间设有密封装置；图像采集装置朝向透明叶轮上盖板设置。本实用新型能够深入揭示高转速多相混输泵叶轮内的气液流动特性，对保障油气混输管线的安全及提高油气产量具有重要意义。混输管线的安全及提高油气产量具有重要意义。混输管线的安全及提高油气产量具有重要意义。