畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-固定型環(huán)形多噴嘴壓后排液射流泵設(shè)計(jì)

PAGEPAGE1固定型環(huán)形多噴嘴壓后排液射流泵設(shè)計(jì)摘要：射流泵設(shè)計(jì)理論研究已有100多年的歷史，它是一種依靠流體之間動(dòng)量交換來工作的流體機(jī)械泵，由于它沒有運(yùn)動(dòng)，具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、易于操作、便于維護(hù)和綜合利用等特點(diǎn)，被廣泛用于各個(gè)行業(yè)中，尤其是在石油行業(yè)的采油設(shè)備中，射流泵更有不可代替的優(yōu)越性。然而傳統(tǒng)液體射流泵只有一個(gè)噴嘴,由于其原始結(jié)構(gòu)尺寸較大，效率較低不利于射流泵的安裝與應(yīng)用。因此針對(duì)上述問題提出多噴嘴射流泵的研制。多噴嘴射流泵相比較具有工作壓力高、當(dāng)量噴嘴大小可以調(diào)節(jié)、噴嘴不會(huì)堵塞、磨損小、結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，具有相當(dāng)廣闊的應(yīng)用前景和較高的研究價(jià)值.本論文闡述了射流泵的研究意義背景及射流泵的國內(nèi)外發(fā)展史，并對(duì)射流泵的前景進(jìn)行了展望；介紹了射流泵的基本工作原理和結(jié)構(gòu)；并且詳細(xì)計(jì)算了有關(guān)固定型環(huán)形多噴嘴射流泵的水力學(xué)參數(shù)和其基本尺寸，設(shè)計(jì)了整個(gè)泵的各個(gè)工作部件；比較了環(huán)形多噴嘴射流泵相對(duì)于傳統(tǒng)單噴嘴射流泵的優(yōu)勢(shì)；為了使這次設(shè)計(jì)的射流泵滿足實(shí)際要求，在完成整體設(shè)計(jì)后，對(duì)整個(gè)射流泵進(jìn)行驗(yàn)算，并對(duì)主要部件進(jìn)行強(qiáng)度校核。關(guān)鍵詞：射流泵；環(huán)形多噴嘴；固定型；采油設(shè)備Fixedrearannularfluidpressuremulti-nozzlejetpumpdesignAbstract:Thestudyaboutdesigntheoryofjetpumphasbeenlastformorethan100yearsinhistory,itisafluidmechanicalpumpthatworkeddependonthemomentumexchangebetweenthefluid,becauseithasnomovement,andhascharacteristicsofsimplestructure,workreliable,easyoperation,easymaintenance,andcomprehensiveutilization,soitiswidelyusedinvariousindustries,especiallyinoilequipmentinoilindustry,jetpumphasmoreirreplaceableadvantages.However,traditionalliquidjetpumponlyhaveonenozzle,becausetheoriginalstructuresizeislarge,andhavelowefficiency,soitisnotconducivetotheinstallationandapplicationofjetpump.thus.toaddresstheaboveissues,multi-nozzlejetpumpappeared.Multi-nozzlejetpumphashigherworkingpressure,aequivalentnozzlesizecanbeadjusted,thenozzlecannolongerblocked,smallwearing,simplestructure,easyinstallationandlightweight,etc.,hasaverybroadapplicationprospectsandahigherresearchvalue.Thisarticledescribesthebackgroundandthehistoryofitsdevelopingofthedomesticandinternationalofthejetpump,andstatestheprospect;italsodescribesthebasicworkingprincipleandstructureofthejetpump;anddothedetailedcalculationsabouttheMechanicalparametersofwateroffixedrearannularfluidpressuremulti-nozzlejetpumpanditsbasicsize,designalltheworkingpartsofthepump;comparedthejetpumpnozzleringrelativetothetraditionalsinglenozzlejetpumphavemoreadvantages;Tomakethedesignofjetpumpsmeettheactualrequirements,Afterthecompletionoftheoveralldesign,checkthewholejetpump,anddostrengthcheckingtothemaincomponents.Keywords:Jetpump;Multi-nozzlering;Fixed;Productionequipment目錄1.緒論 11.1研究的背景及意義 11.1.1石油的重要性 11.1.2采油方法方式簡介 11.1.3射流泵采油的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì) 11.2射流泵研究與應(yīng)用綜述 21.2.1射流泵及其理論的發(fā)展歷程 21.2.2射流泵的基本特性 41.2.3射流泵的基本應(yīng)用 61.2.4射流泵研究存在的問題 61.2.5射流泵的前景展望 71.3畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 71.4所采用的研究方法 72.射流泵主要參數(shù)、構(gòu)造以及工作原理 92.1射流泵的結(jié)構(gòu)及工作原理 92.2射流泵的基本特征參數(shù) 102.2.1無量綱壓力比P和無量綱壓頭比H 112.2.2無量綱體積流量比M和無量綱質(zhì)量流量比G 112.2.3無量綱面積比R 112.2.4無量綱密度比ρr 122.2.5無量綱喉嘴距Ld 123.總體設(shè)計(jì)方案 133.1確定循環(huán)方式 133.1.1正循環(huán)和反循環(huán) 133.1.2選擇循環(huán)方式 133.2環(huán)形多噴嘴射流泵對(duì)傳統(tǒng)單噴嘴射流泵的優(yōu)勢(shì) 133.3選擇動(dòng)力液 134.水力學(xué)計(jì)算 144.1計(jì)算中的假設(shè)條件 144.2射流泵采油系統(tǒng)示意圖與符號(hào)介紹 144.2.1主要符號(hào)介紹 144.2.2射流泵采油系統(tǒng)示意圖 154.3已知條件 164.4射流泵參數(shù)計(jì)算 174.4.1計(jì)算噴嘴入口處壓力P1 174.4.2確定泵的最優(yōu)參數(shù) 214.4.3計(jì)算混合液流量Qm 214.4.4射流泵基本尺寸計(jì)算 214.4.5驗(yàn)算 235.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其計(jì)算 315.1確定泵工作筒的外徑和壁厚 315.2設(shè)計(jì)環(huán)形多噴嘴 315.3設(shè)計(jì)進(jìn)液和排液通道 325.4設(shè)計(jì)上接頭和下接頭 336.強(qiáng)度校核 356.1射流泵工作筒的抗壓強(qiáng)度校核 356.2射流泵噴嘴安裝套擋塊的強(qiáng)度校核 397.結(jié)論 42致謝 451.緒論1.1研究的背景及意義1.1.1石油的重要性通過對(duì)石油的煉制可得到汽油、煤油、柴油等燃料以及各種機(jī)器的潤滑劑、氣態(tài)烴。通過化工過程，可制得合成纖維、合成橡膠、塑料、農(nóng)藥、化肥、醫(yī)藥、油漆、合成洗滌劑等。因此，石油被廣泛運(yùn)用于交通運(yùn)輸、石化等各行各業(yè)，被稱為經(jīng)濟(jì)乃至整個(gè)社會(huì)的“黑色黃金”、“經(jīng)濟(jì)血液”。石油的流動(dòng)改變著世界政治經(jīng)濟(jì)的格局，只要沒有一種新的燃料能取代石油，國際間石油的爭奪就不會(huì)停止。1.1.2采油方法方式簡介采油方法主要有自噴采油和人工舉升兩種。在油井的開發(fā)過程中，當(dāng)對(duì)油井試油后，會(huì)根據(jù)油井的油層物性、壓力，選擇合適的開采方式。在實(shí)際生產(chǎn)中，油層物性好、壓力高的油井，油氣可自噴到地表，即自噴采油。油層物性差、壓力低的油井，當(dāng)?shù)貙幽芰坎蛔阋詫⒂捎蜌馀e升到地表時(shí)，應(yīng)人工補(bǔ)充能量，進(jìn)行人工舉升。1.1.3射流泵采油的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)射流泵采油是一種特別適合海洋石油開采的無桿泵采油方式。射流泵能夠適用于各種地層和管柱，射流泵主要由噴嘴、喉管及擴(kuò)散管組成，如圖1所示。其工作原理是將工作流體通過噴嘴高速噴出，同時(shí)靜壓能部分轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，管內(nèi)形成真空，低壓液體被吸入管內(nèi)。兩股液體在喉管中進(jìn)行混合和能量交換，工作液體速度減小，被吸液體速度增大，壓力逐漸增加，在喉管出口處速度趨于一致?；旌弦后w通過擴(kuò)散管時(shí)，隨著流道的增大，速度逐漸降低，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能，混合液體壓力隨之升高。圖1-1射流泵原理示意圖水力射流泵是利用射流原理將注入井內(nèi)的高壓動(dòng)力液的能量傳遞給井下油層產(chǎn)出液的無桿水力采油設(shè)備，其沒有運(yùn)動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)緊湊，泵排量范圍大，揚(yáng)程可達(dá)500-3000m，可抽吸含腐蝕、含砂介質(zhì)的原油和氣液比較高的原油，可用于高凝油、稠油、高含蠟油井。在日常生產(chǎn)中維護(hù)、測(cè)試、調(diào)參簡單，檢泵方便，在北達(dá)科他州Baakin油田測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)表明，當(dāng)“狗腿”嚴(yán)重度不超過200130.48m時(shí)，射流泵通過73.OOmm油管起下沒發(fā)生過任何問題。射流泵免修期較長，在油井產(chǎn)量變化時(shí)調(diào)節(jié)極為方便，投資和操作費(fèi)用較低，對(duì)定向井、水平井和海上叢式井的油氣舉升有良好的適應(yīng)性，特別符合海上平臺(tái)面積小、資源有限的基本情況。能夠利用經(jīng)過處理的平臺(tái)生產(chǎn)系統(tǒng)產(chǎn)生的污水作為動(dòng)力液，大大提高了資源利用率。1.2射流泵研究與應(yīng)用綜述1.2.1射流泵及其理論的發(fā)展歷程射流泵以其結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn)，自發(fā)明以來便被廣泛應(yīng)用于水利電力、交通運(yùn)輸、石油生產(chǎn)、建筑、化工生產(chǎn)、航空航天、給排水、醫(yī)藥生產(chǎn)、給排水、環(huán)境保護(hù)等各個(gè)領(lǐng)域。射流泵自詹姆斯(James)·湯姆森(Thomson)于1852年發(fā)明以來，至今己100多年的歷史。在此之前，射流泵的基本原理，即兩股流體的混合現(xiàn)象，在16世紀(jì)時(shí)便已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)，到19世紀(jì)，德國學(xué)者G·佐伊納(Zeuner)根據(jù)動(dòng)量定理，建立了射流泵的設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)，1870年，他和M·蘭柯尼(Runkin)[1-3]進(jìn)一步發(fā)展了射流理論。1910年，洛倫茲(Lorenz)發(fā)表了著名的混合損失模型。1922年，K·羅菲(Hoefer)進(jìn)行了液氣射流泵對(duì)冷凝器抽真空試驗(yàn)。但是，這些理論還不能解決射流泵的計(jì)算問題。直到20世紀(jì)30年代，流體力學(xué)及空氣動(dòng)力學(xué)的發(fā)展，推動(dòng)了射流泵的研究工作[4-5]。1933-1934年，J.E.戈斯利尼(Gosline)和M.P.奧布賴恩(O，brien)在加里福尼亞大學(xué)進(jìn)行了系統(tǒng)的液體射流泵試驗(yàn)研究工作，并發(fā)表了射流理論研究與實(shí)驗(yàn)研究成果，成為射流泵設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)參考文獻(xiàn)。1948年，D.斯立林(citrini)[6-7]在分析射流泵的阻力損失基礎(chǔ)上，提出了提高泵效的途徑。1951年，T.W.勞德斯(Rodes)提出了用射流泵抽送泥砂，并指出其經(jīng)濟(jì)性及可靠性[8]。1952年，J.w.麥科納基(Maeonaghy)[9-10]，提出了射流泵裝置性能計(jì)算方法。1957年，R.G.坎寧安(eunningham)[11]在戈斯利尼原來的表達(dá)式的基礎(chǔ)上，擴(kuò)展研究了抽吸高粘滯液體的射流泵特性，給出了射流泵在等密度體系條件的綜合數(shù)學(xué)模型。1955-1956年，R.沃格爾(Vogel)研究了射流泵的基本性能最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)，提出射流泵效率可以達(dá)到40%[12-14]。1956年，5.T.波寧頓(Bonnigton)對(duì)水及水氣射流泵進(jìn)行了詳細(xì)試驗(yàn)后，提出了射流泵各部件的合理尺寸，并指出采用多噴嘴可縮短喉管長度。1956年，A.G.漢森(Hansen)提出液體射流泵設(shè)計(jì)方法1291。同年，Beeke:HA，HottelHC.以及WilliamsGc.研究了管道中混合射流。R.G.坎寧安在1970年.對(duì)射流泵的氣蝕現(xiàn)象進(jìn)行了研究，在1974年對(duì)液體射流泵壓縮氣體長喉管液氣射流泵進(jìn)行了深入研究。Raosingamsetti等人對(duì)射流泵特性曲線進(jìn)行了深入研究，給出了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)射流泵的特性曲線，為射流泵的應(yīng)用提供了良好的設(shè)計(jì)依據(jù)。然而，以上的研究仍然是初步的，雖然已從不同角度進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究，但還局限于射流泵外特性研究，而對(duì)于射流泵內(nèi)的流動(dòng)規(guī)律認(rèn)識(shí)還不夠完善，從總體上還沒有形成一個(gè)統(tǒng)一的規(guī)律，對(duì)于各種因素的影響規(guī)律認(rèn)識(shí)還不足。進(jìn)入20世紀(jì)80年代，隨著石油開采的需要，對(duì)于射流泵水力特性的研究進(jìn)入一個(gè)新的階段。1980年，BrownK.E.和PetrieH出版了《人工舉升方法》[15]一書，在戈斯利尼和奧布賴恩研究成果的基礎(chǔ)上，對(duì)射流泵的工作原理、系統(tǒng)組成、水力特性等進(jìn)行了系統(tǒng)地闡述。但這一研究仍局限于等密度體系(兩股流體密度相等)。1983至1984年，petrieH.L.，smart，E.E.等人連續(xù)發(fā)表了文章，最新給出了非等密度體系中的模型，并對(duì)射流泵幾何尺寸進(jìn)行了初步研究。這些研究結(jié)果，可以很好地預(yù)測(cè)射流泵在原油生產(chǎn)中的工作情況。隨后，萬ondrodiPutr，B等人開展了遠(yuǎn)距離水力射流泵的研究與應(yīng)用，cortevilie，J.c.等人開展了利用射流泵開采單相和多相原油的研究，HQLu等人開展了射流泵區(qū)間的數(shù)值計(jì)算，Jiao，B.，sehmidt，C.等人研究了兩相水力射流泵的效率與壓力恢復(fù)問題，1988年，GruPPing，A.w系統(tǒng)地闡述了油井射流泵的工作原理、計(jì)算公式、工作特性曲線、計(jì)算程序和算例，提供了一整套結(jié)合采油條件的理論和計(jì)算方法。這一階段的研究結(jié)果，基本上可以滿足生產(chǎn)的需要。但是，隨著應(yīng)用的不斷推廣，逐漸暴露出一些問題，如水力射流泵描述方法的統(tǒng)一性問題、提高射流泵效率問題、射流泵內(nèi)在流場(chǎng)與外特性關(guān)系問題、有關(guān)射流泵各種摩擦損失系數(shù)問題、理論的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證問題等等，都需要進(jìn)一步深入研究。我國雖然在50年代就開始了射流泵的應(yīng)用研究，但是由于射流泵的效率不高，限制了它的應(yīng)用與推廣。直到70年代，基本上處于簡單應(yīng)用階段，而對(duì)于理論研究則基本處于停滯不前的狀態(tài)。從70年代末以后，一些學(xué)者開始對(duì)于射流泵的射流理論進(jìn)行了較為深入的研究Is0Hs31，奠定了國內(nèi)射流理論的基礎(chǔ)。但是，從這以后，受應(yīng)用的限制，研究進(jìn)展仍然很慢，基本上還是處于試驗(yàn)和應(yīng)用研究階段。1987年，陸宏沂研究了國外學(xué)者大量的研究成果，出版了《射流泵技術(shù)的理論與應(yīng)用》[16]標(biāo)志著國內(nèi)射流理論走向成熟。隨著石油開采的需要，射流泵成為原油生產(chǎn)的一種重要藝方法，這時(shí)急需更加合理的射流泵基本理論。為此，鄧匕華于1989年翻譯并發(fā)表了H.Petrie的系列研究文章、牛寶榮翻譯并發(fā)表了A.w.GruPPing的文章，張懷文于1990年翻譯并發(fā)表了D.T.Hatsia的研究文章[17-19]，將國外的最新研究成果介紹到國內(nèi)，從而奠定了射流泵應(yīng)用的設(shè)計(jì)依據(jù)，提高了國內(nèi)對(duì)射流泵的研究與應(yīng)用。但是，這些研究都局限十對(duì)射流泵的外特性研究，給出的特性方程大多適合于等密度體系。1990年以后，隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的不斷發(fā)展，湍流模型的不斷完善1691，尤其是湍流模式理論的出現(xiàn)與發(fā)展，以及各種數(shù)值計(jì)算方法的不斷完善，使得對(duì)湍射流場(chǎng)直接進(jìn)行數(shù)值計(jì)算成為可能。實(shí)驗(yàn)測(cè)量技術(shù)與流動(dòng)顯示技術(shù)的發(fā)展，為開展湍射流場(chǎng)實(shí)驗(yàn)提供了良好的手段。射流泵內(nèi)部流場(chǎng)是一個(gè)非常復(fù)雜的湍射流場(chǎng)，其基本特性與很多因素有關(guān)，因此，對(duì)射流泵特性的研究是多方面的，但大致包括射流泵湍流模型、射流泵的基本特性、射流泵最優(yōu)化參數(shù)解、湍流模式理論、射流泵湍射流場(chǎng)的數(shù)值模擬、射流泵實(shí)驗(yàn)研究等方面。1.2.2射流泵的基本特性射流泵基本特性指壓力比、效率同流量比之間的關(guān)系。J.E.Gosline(戈斯利尼)，M.o，Brien(奧布賴恩)于1933-1934年在美國加里福尼亞大學(xué)水力學(xué)試驗(yàn)室，對(duì)射流泵進(jìn)行了試驗(yàn)研究，試驗(yàn)用的射流泵有兩種，它們是喉管呈圓柱形，和用銅片鑲在兩片平行的平板.卜的射流泵。采用的面積比為m=8.06-1.04的射流泵，共進(jìn)行了786次試驗(yàn)。他們假設(shè)噴嘴出口外緣很薄，并假設(shè)噴嘴出口斷面與喉管進(jìn)口斷面重合，即喉噴嘴距等于零。在此基礎(chǔ)上，導(dǎo)出了射流泵的基本特性方程。這種方法考慮的因素比較全面，它為近代射流泵的研究打下了基礎(chǔ)。但該研究與實(shí)際情況不符，因而其普遍性受到了限制。此外，這種方法的表達(dá)式較為復(fù)雜，有些因素如壓水管及吸水管阻力系數(shù)、計(jì)入了射流泵基本性能方程中，使得基本性能方程有一定的局限性。R.Geunningham[17]在J.E.005Gosline和M.O’Brien[2]的研究成果基礎(chǔ)上，于1953-1954年在美國賓夕亞大學(xué)對(duì)射流泵進(jìn)行了·系列試驗(yàn)研究，試驗(yàn)用射流泵的面積比R=0.1-0.6，他導(dǎo)出了基本性能方程，1975年又根據(jù)射流泵存在一定的喉噴距的實(shí)際情況，提出了壓力損失系數(shù)的概念。當(dāng)喉嘴距為零時(shí)，；不為零，。RGcunningham還考慮了喉管入口結(jié)構(gòu)對(duì)射流泵性能的影響，提出對(duì)射流損失系數(shù)進(jìn)行修正，這種觀點(diǎn)是正確的。但他只是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)提出一個(gè)系數(shù)，而沒有闡明它的物理概念，也沒有提出其具體表達(dá)式。1950年，K.E.srown和H.L.Petre出版了《人工舉升工藝》[18]一書，在射流泵應(yīng)用一章，他們?cè)贘.E.Gosline和M.O’Brien研究成果的基礎(chǔ)上，利用能量守恒原理并采用Lorenz的混合損失模型，推導(dǎo)并給出了計(jì)算壓頭比的射流泵基本性能方程。該方法與J.E.Gosline和M.O’Brien方法一樣，采用了壓頭比H，而計(jì)算壓頭比時(shí)需要確定很多參數(shù)，給計(jì)算帶來了困難。H.L.Petrle，P.M.WIIson和E.E.Smart[3]于1983-1984年，連續(xù)發(fā)表了3文章，系統(tǒng)地闡述射流泵的工作原理，推導(dǎo)出了基本性能方程，以及系統(tǒng)選擇設(shè)計(jì)方法。該方法與R.GCunningham給出的方法相類似，只是在該方法中沒有考慮喉嘴距的影響。以上各種方法雖然在一定程度上為工程應(yīng)用提供了設(shè)計(jì)依據(jù)，但它們都局限于等密度體系。在實(shí)際應(yīng)用中，動(dòng)力液與吸入液的密度往往不相等，如用水動(dòng)力液抽取原油，或用輕質(zhì)油動(dòng)力液抽取重油等，在這種情況下，用前面在等密度體系中得到的特性方程來計(jì)算和設(shè)計(jì)射流泵工作系統(tǒng)時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生很大誤差，甚至嚴(yán)重影響射流泵的正常工作和生產(chǎn)。因此，研究射流泵在非等密度體系條件下的特性方程，是十分必要的。orupping，A.w.等人在H.L.Petrle，RM.wilson和E.E.smart等人研究成果的基礎(chǔ)上，將特性方程擴(kuò)展到非等密度體系中，給出了無量綱壓力比的計(jì)算公式，但依然采用了無量綱質(zhì)量流量比。該方法的缺陷在于沒有區(qū)分射流泵的沉沒壓力與混合壓力。由于采用了無量綱質(zhì)量流量比，在計(jì)算效率時(shí)，將混淆效率的概念。為此，蔡啟倫利用能量方程與動(dòng)量定理對(duì)其進(jìn)行了修正，給出了較為合理的特性方程。1.2.3射流泵的基本應(yīng)用我國在60年代為解決甘肅省河西走廊提取地下水問題,開始將射流泵和離心泵相結(jié)合研制射流式井泵,由于加裝了射流泵使整個(gè)井泵的吸程為離心泵吸程和射流泵增能部分之和,這一設(shè)備可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的潛水泵從深10m以上的井中抽水?，F(xiàn)在射流泵加壓及提高汽蝕性能這一方面的應(yīng)用更加廣泛。中原油田分公司劉春旺等采用文丘里管射流泵裝置回收低壓天然氣,該裝置可將來自油水儲(chǔ)罐的汽化天然氣壓縮成中壓氣,輸送到不同用途的輸氣系統(tǒng)中;另外,這一裝置還可用來回收乙二醇脫水器、加熱處理器及低壓分離器等的排出氣體。2002年5月15日,該裝置開始在美國得克薩斯ElEbanito[19-20]油氣開采設(shè)備中使用,它每天回收的氣量可創(chuàng)收336780美元。江蘇大學(xué)孔繁余等針對(duì)大型碳酸鹽泵機(jī)組和進(jìn)出口管線發(fā)生異常噪聲和振動(dòng)現(xiàn)象,分析是由于泵汽蝕所致,提出在泵進(jìn)口管線處增設(shè)射流裝置,將泵自身出口的一部分高壓液體引入到射流裝置,并與來自儲(chǔ)罐的液體混合,增加液體壓頭后提供給泵進(jìn)口,以提高泵的有效汽蝕余量,有效地解決了泵機(jī)組及進(jìn)出口管線的異常噪聲、振動(dòng)問題,消除了化工系統(tǒng)的安全生產(chǎn)隱患。此外,射流泵噴嘴處的高速液流能形成低壓,將其應(yīng)用于自吸離心泵可有效地縮短自吸時(shí)間。江蘇大學(xué)的劉建瑞等在以汽油機(jī)為動(dòng)力的離心泵的基礎(chǔ)上增設(shè)了一個(gè)帶文吐里管的自循環(huán)射流器,利用泵壓水室有壓流體通過射流器噴嘴高速射向泵的進(jìn)口處,對(duì)離心泵的進(jìn)口管路造成較強(qiáng)的抽吸真空,實(shí)現(xiàn)普通離心泵的自吸啟動(dòng),離心泵正常工作后,這時(shí)將自循環(huán)射流器上的閥關(guān)閉,自循環(huán)射流器停止工作。經(jīng)試驗(yàn),加裝射流裝置后的自吸離心泵的自吸時(shí)間短,性能曲線穩(wěn)定、平坦,高效率區(qū)范圍寬、工況佳;整臺(tái)泵的自吸高度在5m時(shí)自吸時(shí)間是90s及95s,比國家標(biāo)準(zhǔn)快10s及5s,泵的效率提高3%以上。1.2.4射流泵研究存在的問題雖然許多研究者做了大量的工作，但由于射流泵內(nèi)部為一復(fù)雜的湍射流場(chǎng)，對(duì)射流泵性能和湍射流場(chǎng)特性的研究還有待于進(jìn)步進(jìn)行?？v觀射流泵研究與應(yīng)用的歷史，存在以下幾個(gè)方面的問題[21]:(l)基本理論研究不夠完善。射流泵的基本理論主要體現(xiàn)在外特性方面，即射流泵的基本特性方程。目前還沒有統(tǒng)一的特性方程，而射流泵的基本特性方程又是其它特性研究的出發(fā)點(diǎn)，因此，基本特性方程的不完善，導(dǎo)致了其它特性研究也不夠完善。(2)實(shí)驗(yàn)研究不夠深入。如上所述，盡管己出現(xiàn)了各種先進(jìn)的流動(dòng)顯示技術(shù)及測(cè)量手段，但由于射流泵泵體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，這些先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)手段尚未被廣泛應(yīng)用于射流泵湍射流場(chǎng)的研究與測(cè)試中，而實(shí)驗(yàn)結(jié)果又是驗(yàn)證理論與數(shù)值計(jì)算結(jié)果的最為可靠的依據(jù)，因此，實(shí)驗(yàn)技術(shù)的落后，限制了射流泵的理論研究。(3)數(shù)值模擬。眾所周知，數(shù)值模擬方法以其省時(shí)省力被廣泛應(yīng)用于流場(chǎng)計(jì)算中，但是，對(duì)于象射流泵這樣復(fù)雜的湍射流場(chǎng)，數(shù)值計(jì)算仍然相當(dāng)費(fèi)時(shí)。同時(shí)，由于實(shí)驗(yàn)技術(shù)手段的滯后(未被充分利用)，又限制了數(shù)值計(jì)算的發(fā)展。1.2.5射流泵的前景展望綜合國內(nèi)外各種研究分析表明,射流泵的發(fā)展趨勢(shì)大體有以下幾點(diǎn)[22]：(1)繼續(xù)擴(kuò)大對(duì)射流泵使用范圍的研究,將其與各種工作泵和其他設(shè)備組合使用，以滿足不同的實(shí)際工作要求。(2)采用先進(jìn)的測(cè)試設(shè)備,深入研究射流泵內(nèi)部的實(shí)際流動(dòng)狀況，為理論分析提供試驗(yàn)依據(jù)。(3)進(jìn)一步剖析射流泵各結(jié)構(gòu)參數(shù)間的聯(lián)系,提高射流泵的效率。(4)利用合理的設(shè)計(jì)方法,研制各種新機(jī)理、新結(jié)構(gòu)的射流泵,提高其整體性能。1.3畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容(1)查閱、收集有關(guān)射流泵的資料，理解射流泵原理與結(jié)構(gòu)，了解國內(nèi)外射流泵的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，搞清本次畢業(yè)設(shè)計(jì)所要設(shè)計(jì)的內(nèi)容，在此基礎(chǔ)上完成開題報(bào)告。(2)查閱有關(guān)射流泵的外文資料并選定一篇進(jìn)行翻譯。(3)分析常規(guī)采油射流泵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其所存在的缺陷，提出固定型環(huán)形多噴嘴射流泵采油裝置的的設(shè)計(jì)方案。(4)畫出結(jié)構(gòu)草圖，并根據(jù)任務(wù)書所給數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和校核，確定射流泵的各零部件具體尺寸，如有需要，對(duì)初步方案和草圖進(jìn)行修改。(5)畫出射流泵的裝配圖和各零部件的零件圖。(6)完成畢業(yè)設(shè)計(jì)論文。1.4所采用的研究方法本次設(shè)計(jì)主要采用的方法是文獻(xiàn)研究法，通過查閱和收集有關(guān)射流泵原理結(jié)構(gòu)和在油氣舉升應(yīng)用方面的論文、專利、期刊和書籍，了解普通射流泵采油裝置的原理、結(jié)構(gòu)以及存在的問題，針對(duì)問題提出固定型環(huán)形多噴嘴射流泵采油裝置的設(shè)計(jì)方案。2.射流泵主要參數(shù)、構(gòu)造以及工作原理2.1射流泵的結(jié)構(gòu)及工作原理射流泵是一種特殊的水力泵，它沒有運(yùn)動(dòng)件，而是通過動(dòng)力液與地層吸入流體之間的動(dòng)量轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)抽油的。完整的射流泵系統(tǒng)可分為地面部分、中間部分和井下部分。其中，井下部分為射流泵，它沉浸于井液中，射流泵主要由噴嘴、喉管和擴(kuò)散管三個(gè)部件組成，其典型結(jié)構(gòu)和工作流程如圖2-1所示。1-動(dòng)力液管2-噴嘴3-混合室4-喉管5-擴(kuò)散管6-吸入管圖2-1射流泵工作流程示意圖工作時(shí)，動(dòng)力液從動(dòng)力液管注入，經(jīng)射流泵上部流至噴嘴噴出，射入與地層液相連通的混合室。在噴嘴處，動(dòng)力液的總壓頭幾乎全部變?yōu)樗俣人^此壓力很低，進(jìn)入混合室的原油則被動(dòng)力液抽吸，混合后流入喉管。喉管直徑總是要大于噴嘴直徑，動(dòng)力液和地層流體在喉管內(nèi)充分混合后，速度水頭降低，而壓力水頭有所回升。在此過程中，動(dòng)力液失去動(dòng)量和動(dòng)能，而地層流體得到動(dòng)量和動(dòng)能。但是，由于此時(shí)總水頭仍主要是以速度水頭的形式存在，壓力水頭較低還不能將混合液舉升到地面。射流泵的最終工作斷面為精細(xì)的擴(kuò)散管斷而，由于擴(kuò)散管斷面面積逐漸增大，使得速度水頭轉(zhuǎn)換為壓力水頭，從而可使混合液舉升到地面上來。按照工作流體的種類不同，射流泵可分為液體射流泵和氣體射流泵(噴射泵)兩種。按下泵深度的需要，射流泵可分為大面積比射流泵和低面積比射流泵。大面積比射流泵用于淺井或地面物料的輸送，射流泵不需要太高的舉升能力，但需要較高的流量比;而深井需較高的舉升能力，這就要求較高的動(dòng)力液壓力，則動(dòng)力液流量相對(duì)較小，因此常采用低面積比射流泵。按照循環(huán)方式不同，射流泵又可分為正循環(huán)(標(biāo)準(zhǔn)循環(huán))和反循環(huán)兩種方式，正循環(huán)方式是以中心油管為動(dòng)力液管柱，以油、套環(huán)形空間為乏動(dòng)力液返出管柱；反循環(huán)方式則是以油、套環(huán)形空間為動(dòng)力液管柱，而乏動(dòng)力液則由油管返排到地面。利用射流泵進(jìn)行油井排砂的系統(tǒng)，只能采用反循環(huán)方式安裝。但是，無論是正循環(huán)還是反循環(huán)安裝方式，射流泵的工作原理是相同的。根據(jù)以上分類，用于油井排砂的射流泵，應(yīng)當(dāng)采用液體作為動(dòng)力液的低面積比值反循環(huán)射流泵。2.2射流泵的基本特征參數(shù)射流泵的壓力流量與泵的幾何尺寸之間的關(guān)系反映了射流泵內(nèi)能量轉(zhuǎn)換過程的主要工作構(gòu)件(噴嘴、喉管及擴(kuò)散管)對(duì)其性能的影響。射流泵的生產(chǎn)廠家提供的射流泵往往有多種噴嘴和喉管組合，以適應(yīng)于各種不同的油井條件。對(duì)于每一種規(guī)格的噴嘴都配有多種規(guī)格的喉管，以獲得不同的工作特性。然而，對(duì)這些規(guī)格并沒有標(biāo)準(zhǔn)化，因而導(dǎo)致了大量的特性曲線。因?yàn)槊織l曲線實(shí)際上是取決于噴嘴壓力的一組曲線，因而就使得具體油井的選泵工作出現(xiàn)了混亂。為此，人們便使用無量綱參數(shù)來描述射流泵的工作特性。圖2-2為射流泵的結(jié)構(gòu)示意圖，本文定義的基本特性參數(shù)如下：1-動(dòng)力液管2-噴嘴3-混合室4-喉管5-擴(kuò)散管6-吸入管圖2-1射流泵結(jié)構(gòu)示意圖2.2.1無量綱壓力比P和無量綱壓頭比H無量綱壓力比P定義為：地層液壓力增量(P1-P2)與動(dòng)力液壓力的降低量之(P2-P3)比，即P=（P2-P3)/（P1-P2）（2-1）式中：P1為動(dòng)力液進(jìn)泵壓力，MPa；P2為泵排出壓力，MPa；P3為吸入液進(jìn)泵壓力，MPa。無量綱壓頭比H定義為：泵內(nèi)地層液壓頭的增量(H2–H3)與動(dòng)力液壓力的降低最(H1-H2)之比，即H=（H2–H3）/（H1-H2）（2-2）式中：H1為動(dòng)力液進(jìn)泵壓頭，mm；H2為排出口壓頭，mm；H3為吸入液進(jìn)泵壓頭，mm。2.2.2無量綱體積流量比M和無量綱質(zhì)量流量比G流量比M定義為：地層流體的體積流量q3與動(dòng)力液的體積流量q1之比，即，M=q3/q1（2-3）目前，在射流泵的特性方程中，常采用體積流量比M，簡稱流量比。流量比G定義為：地層流體的質(zhì)量流量G3與動(dòng)力液的質(zhì)量流量G1之比，即，G=G3/G1（2-4）2.2.3無量綱面積比RR的定義為：噴嘴出口流道截面積AJ與喉管流道面積At之比，即，R=AJ/At（2-5）當(dāng)忽略噴嘴出日外緣厚度時(shí)，有AS+AJ=At（2-6）式中：AS為喉管入口處吸入液所占的流動(dòng)截面積。因此，存在如下關(guān)系：vS=Rvj/(1–R)，vt=R(1+M)vj（2-7）式中：vj為動(dòng)力液在噴嘴出口處斷面平均流速；vS為吸入液在射流泵入口斷面平均流速；vt為混合液在喉管中斷面平均流速。2.2.4無量綱密度比ρr定義為:地層流體的密度與動(dòng)力液的密度之比，即=/（2-8）2.2.5無量綱喉嘴距LdLd定義為噴嘴出口跟喉管入口的距離L與噴嘴直徑dj之比，即Ld=L/dj（2-9）3.總體設(shè)計(jì)方案3.1確定循環(huán)方式3.1.1正循環(huán)和反循環(huán)射流泵動(dòng)力液的流動(dòng)方式有正反循環(huán)之分。所謂正循環(huán)，就是動(dòng)力液從地面經(jīng)油管被注入井下射流泵中，混合液從環(huán)空中反排到地面；反循環(huán)正好相反。3.1.2選擇循環(huán)方式本次設(shè)計(jì)考慮到混合液流量比動(dòng)力液大、油套環(huán)空截面積比油管截面積大，所以為了減小混合液反排過程的阻力損失，選擇正循環(huán)方式。3.2環(huán)形多噴嘴射流泵對(duì)傳統(tǒng)單噴嘴射流泵的優(yōu)勢(shì)傳統(tǒng)液體射流泵只有一個(gè)噴嘴,由于其原始結(jié)構(gòu)尺寸較大，效率較低不利于射流泵的安裝與應(yīng)用。多噴嘴射流泵相比較具有工作壓力高、當(dāng)量噴嘴大小可以調(diào)節(jié)、噴嘴不會(huì)堵塞、磨損小、結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，具有相當(dāng)廣闊的應(yīng)用前景和較高的研究價(jià)值[13]。環(huán)形多噴嘴射流泵的工作流體通過多個(gè)噴嘴射出,有壓液體通過多噴嘴射出多股流體,在噴嘴口處由于射流邊界層的紊流擴(kuò)散作用,與周圍被吸流體發(fā)生動(dòng)量交換,工作流體與引射流體相接觸的表面比相應(yīng)的單噴嘴射流泵大,工作流體與引射流體能比較迅速地進(jìn)行能量和動(dòng)量交換,使混合流體速度較早均勻。對(duì)于喉管直徑一定的多噴嘴射流泵,其喉管長度比中心射流泵短,即多股流體能夠在很短的距離內(nèi)混合均勻[23]。3.3選擇動(dòng)力液射流泵對(duì)動(dòng)力液的要求不高，只要不含腐蝕性物質(zhì)和雜質(zhì)顆粒的液體一般都可以。為了節(jié)省資源，降低生產(chǎn)成本，提高資源利用率，可將生產(chǎn)系統(tǒng)產(chǎn)生的廢水污水進(jìn)行處理后作為射流泵的動(dòng)力液。4.水力學(xué)計(jì)算4.1計(jì)算中的假設(shè)條件（1）由于動(dòng)力液和吸入液是水，所以可以假設(shè)動(dòng)力液和吸入液為不可壓縮流體；（2）動(dòng)力液和排出液在油管和環(huán)空中是穩(wěn)定流；（3）計(jì)算油管和環(huán)空中阻力損失時(shí)假設(shè)液體溫度均為20℃，其他計(jì)算中井下溫度按60℃計(jì)算；（4）動(dòng)力液和地層液混合時(shí)不考慮熱交換。4.2射流泵采油系統(tǒng)示意圖與符號(hào)介紹4.2.1主要符號(hào)介紹下文計(jì)算中用到的主要符號(hào)介紹如下：P0—地面動(dòng)力液壓力，MPa；PS—吸入液壓力，MPa；P1—進(jìn)入泵的動(dòng)力液壓力，MPa；PJ—噴嘴出口處動(dòng)力液壓力，MPa；Pt—喉管入口處壓力，MPa；Pd—喉管出口處壓力，MPa；P返—返排到地面的余壓，MPa；Pm—排出液（擴(kuò)散管出口處）壓力，MPa；Qn—?jiǎng)恿σ毫髁浚琺3/min；QS—吸入液流量，m3/min；Qm—排出液流量，m3/min；Q—每個(gè)子噴嘴動(dòng)力液流量m3/min；—噴嘴直徑，mm；—水力吸入直徑，mm；—喉管直徑，mm；—擴(kuò)散管出口直徑，mm；γ0—?jiǎng)恿σ褐囟?，N/m3；γm—排出液重度，N/m3；γS—吸入液重度，N/m3；—?jiǎng)恿σ好芏?，kg/m3；—排出液密度，kg/m3；—吸入液密度，kg/m3；Aj—噴嘴出口斷面面積，mm2；AS—吸入面積，mm2；At—喉管斷面面積，mm2；D1—套管內(nèi)徑，mm；D2—油管內(nèi)徑，mm；H—射流泵工作點(diǎn)距離地面垂直距離，m；v1—?jiǎng)恿σ涸谟凸苤械牧魉?，m/s；v2—排出液在環(huán)空中的流速，m/s；vd—導(dǎo)液管中工作液體的流速，m/s。4.2.2射流泵采油系統(tǒng)示意圖固定型環(huán)形多噴嘴射流泵采油系統(tǒng)如圖4-1所示：圖4-1射流泵采油系統(tǒng)示意圖4.3已知條件根據(jù)任務(wù)書和工程背景可得以下已知條件：（1）動(dòng)力液的流量：Qn=0.25m3/min；（2）泵的排量：QS=240m3/d；（3）動(dòng)力液在井口處的壓力：P0=20MPa；（4）吸入液的壓力：PS=6MPa；（5）套管內(nèi)徑：D1=124.26mm；（6）油管內(nèi)徑：D2=62mm；（7）油管外徑：D`2=73mm；（8）動(dòng)力液重度：γ0=9810N/m3；（9）吸入液重度：γS=9810N/m3；（10）井深：H=1800m。4.4射流泵參數(shù)計(jì)算4.4.1計(jì)算噴嘴入口處壓力P1選擇圖1中0-0斷面、1-1斷面為計(jì)算斷面。選擇射流泵中心線所在的水平面作為計(jì)算基準(zhǔn)。列0-0和1-1斷面上的伯努利方程，（4-1）式中：—斷面0-0相對(duì)于參考平面的高度，m；—斷面1-1相對(duì)于參考平面的高度，m；—?jiǎng)恿σ涸谟凸苤械牧魉?m/s；—地面動(dòng)力液壓力，MPa；—斷面1-1處動(dòng)力液壓力，MPa；—0-0斷面和1-1斷面之間的阻力損失，mm。由已知條件可得：=1800mP0=20MPa對(duì)0-0和1-1斷面之間的管路：（4-2）式中：—?jiǎng)恿σ旱牧髁?，；—油管的?nèi)徑，。由已知條件得：=0.25m3/min=62mm解（4-2）式得：阻力損失：（4-3）式中：—沿程阻力損失，m；—局部阻力損失，m。根據(jù)達(dá)西定理：（4-4）式中：—沿程阻力系數(shù)?？筛鶕?jù)尼古拉斯實(shí)驗(yàn)曲線求解，尼古拉斯實(shí)驗(yàn)曲線可以分為五個(gè)阻力區(qū)，每個(gè)阻力區(qū)所在范圍不同，特點(diǎn)也不同，導(dǎo)致了每個(gè)區(qū)有不同的沿程阻力系數(shù)。具體情況如下：Ⅰ區(qū)層流區(qū)0<Re<2320Ⅱ區(qū)臨界區(qū)2320<Re<4000Ⅲ區(qū)水力光滑管區(qū)Ⅳ區(qū)過渡區(qū)Ⅴ區(qū)水力粗糙管區(qū)其中：—管路水力直徑，mm；此處；—管材的絕對(duì)粗糙度，mm；查《水力學(xué)與水利機(jī)械》[24]表5-2可得對(duì)于無縫鋼管油管，=0.04-0.17mm??；—雷諾數(shù)。雷諾公式為：（4-5）其中：—?jiǎng)恿σ哼\(yùn)動(dòng)粘度；此處可將動(dòng)力液當(dāng)水來處理，查《水力學(xué)與水利機(jī)械》[24]表1-3得標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下20℃的水的運(yùn)動(dòng)粘度為：。將各參數(shù)的值代入式（4-5）得雷諾數(shù)為：計(jì)算得：=28005.19=909789所以，所以0-0斷面、1-1斷面之間的流動(dòng)屬于過渡區(qū)，其沿程阻力系數(shù)為：將代入（4-4）式=67.221m根據(jù)包達(dá)定理：（4-6）式中：—為導(dǎo)液管中工作液體的流速；—局部阻力系數(shù)，查《水力學(xué)與水利機(jī)械》[24]表5-4因?yàn)閺挠凸苓M(jìn)入導(dǎo)液管屬于“突然縮小”這種狀況，所以可得：式中：為導(dǎo)液管內(nèi)徑，一般取20mm，所以，=0.448因?yàn)楣ぷ饕后w流量一定，所以算得：=13.261m/s4.019m將hf和hj帶入（4-3）式中，得：聯(lián)立(4-1)-(4-6)各式可解得4.4.2確定泵的最優(yōu)參數(shù)本次設(shè)計(jì)引用美國國民油井公司的射流泵的最優(yōu)面積比[25]：4.4.3計(jì)算混合液流量Qm根據(jù)已知條件中動(dòng)力液的流量和泵的排量可計(jì)算得泵的混合液流量為：4.4.4射流泵基本尺寸計(jì)算（1）確定射流泵的外徑和壁厚：由于油管內(nèi)徑為，泵的壁厚一般為，本次設(shè)計(jì)取壁厚。（2）噴嘴直徑和喉管直徑：由于是多噴嘴射流泵，設(shè)定噴嘴數(shù)為4個(gè)，所以忽略噴嘴外緣厚度時(shí)，每個(gè)噴嘴出口面積、喉管斷面面積以及吸入面積的關(guān)系如下：（4-7）=（4-8）引用蔡啟倫《噴射泵設(shè)計(jì)計(jì)算公式的改進(jìn)》[26]中最小吸入面積的計(jì)算公式：（4-9）式中：QS—泵的排量，2.77810-3；PS—吸入液的壓力，6MPa；γS—吸入液的重度，9810。將以上數(shù)據(jù)帶入（4-9）式得：聯(lián)立（4-7）（4-8）式得：=45.926mm2所以最小噴嘴直徑為：（4-10）取=3.1mm。最小喉管直徑為：（4-11）取=7.7mm。（3）喉嘴距和噴嘴角度引用《多噴嘴射流泵數(shù)值模擬及試驗(yàn)研究》[27]中噴嘴數(shù)為時(shí)給出的最優(yōu)喉嘴距和噴嘴角度，（4-12）（4）喉管長度陸宏圻《射流泵技術(shù)的理論及應(yīng)用》[16]中給出的最優(yōu)喉嘴距為：（4-13）這里取7，所以，Lc=7dt=77.7=53.9mm（5）擴(kuò)散管長度此處引用陸宏圻《射流泵技術(shù)的理論及應(yīng)用》[16]中公式：（4-14）式中：—擴(kuò)散管出口直徑，考慮油管最大外徑為、壁厚為5.5mm，此處選取=30mm；—擴(kuò)散角，一般采用均勻擴(kuò)散角，此處選取=。所以，取159.5mm。4.4.5驗(yàn)算射流泵的驗(yàn)算主要由兩個(gè)方面，一是檢驗(yàn)噴嘴出口處壓力（吸入室）壓力是否低于地層液的壓力，二是混合液反排到地面的余壓是否合適，一般余壓為較合適。（1）驗(yàn)算動(dòng)力液在噴嘴出口處壓力本次設(shè)計(jì)引用王常斌《油井排沙用射流泵的研究》[19]博士論文中推倒出的公式（4-15）方程經(jīng)過變換，得：（4-16）式中：—噴嘴入口出動(dòng)力液壓力，P1=36.871MPa；—噴嘴出口處動(dòng)力液壓力，MPa；—噴嘴摩擦損失系數(shù)，取Sanger的實(shí)驗(yàn)值=0.09；—?jiǎng)恿σ好芏龋?1.0×103kg/m3；—?jiǎng)恿σ涸趪娮炖锏钠骄俣取Ｓ汕蟮茫?=274.166m/s將=274.166m/s代入（4-16）式，得=－1.84MPa即，==－1.84MPa。表4-1Sanger的摩擦損失系數(shù)表0.0080.090.0980.102—（2）求擴(kuò)散管入口壓力由于伯努利方程不適用于喉管，因此在喉管進(jìn)出口之間（即3-3和4-4斷面之間）應(yīng)用動(dòng)量定理：（4-17）式中：—噴嘴出口處動(dòng)力液壓力，=－1.84MPa；—喉管出口壓力，；—喉管斷面面積，=46.542mm2；—噴嘴出口面積，=3.799mm2；；—吸入面積，=31.344mm2；—?jiǎng)恿σ涸趪娮熘械牧魉伲?74.166；—吸入液在喉管入口出流速，=88.622m/s；—混合液在喉管中的流速，=149.208m/s；—吸入液的密度，；—混合液的密度，；—喉管摩擦損失系數(shù)，取Sanger的實(shí)驗(yàn)值=0.098。由于工作液與吸入液的密度均為，所以混合液的密度也為，即=；將各參數(shù)的值代入（4-17）式，得：=8.700MPa（3）求擴(kuò)散管出口壓力選擇圖1中4-4斷面、5-5斷面為計(jì)算斷面，選擇射流泵中心線所在的水平面作為計(jì)算基準(zhǔn)，列4-4和5-5斷面上的伯努利方程（4-18）式中：—斷面4-4相對(duì)于參考平面的高度，m；—斷面5-5相對(duì)于參考平面的高度，在工程應(yīng)用中可認(rèn)為=；—擴(kuò)散管出口處混合液的流速，m/s；—排出液在喉管中的流速，前文已知149.208m/s；—擴(kuò)散管出口壓力，MPa；—擴(kuò)散管入口壓力，前文已知=8.248MPa；—排出液重度，前文中已知=9810N/m；—排出液在擴(kuò)散管中的摩阻損失，m。對(duì)5-5斷面，有（4-19）式中：—混合液流量，前文已知=；—擴(kuò)散管出口直徑，前文已知=30mm；—擴(kuò)散管出口處混合液的流速，m/s。所以，=9.829m/s擴(kuò)散管中的摩阻損失為（4-20）式中：—擴(kuò)散管摩擦損失系數(shù)，取Sanger的實(shí)驗(yàn)值=0.102；—混合液流量，前文已知=；—混合液的密度，前文已知；—擴(kuò)散管出口處混合液的流速，前文已知=9.829m/s。將以上參數(shù)代入（4-20）式，得=68.431m將各個(gè)參數(shù)代入（4-18）式，計(jì)算得：=19.123MPa（4）求排出液反排到地面的余壓選擇圖1中5-5斷面、6-6斷面為計(jì)算斷面；選擇射流泵中心線所在的水平面作為計(jì)算基準(zhǔn)。列5-5和6-6斷面上的伯努利方程（4-21）式中：—斷面5-5相對(duì)于參考平面的高度，m；—斷面6-6相對(duì)于參考平面的高度，m；—排出液在油套管環(huán)空中的流速，m/s；—斷面5-5處排出液壓力壓力，前文已知=19.123MPa；—反排到地面的余壓，MPa；—排出液重度，前文已知得=9810N/s；—5-5斷面和6-6斷面之間的阻力損失，m。由已知條件可得：=1800m對(duì)5-5和6-6斷面之間的管路：（4-22）由上述計(jì)算結(jié)果和已知條件知：=0.00694m3/s124.26mm=73mm代入（4-22）式，得：解得：=0.874m/s阻力損失（4-23）式中：—5-5和6-6斷面間管路沿程阻力損失，m；—5-5和6-6斷面間管路局部阻力損失，m。根據(jù)達(dá)西定理：（4-24）式中：——沿程阻力系數(shù)?？筛鶕?jù)尼古拉斯實(shí)驗(yàn)曲線求解，尼古拉斯實(shí)驗(yàn)曲線可以分為五個(gè)阻力區(qū)，每個(gè)阻力區(qū)所在范圍不同，特點(diǎn)也不同，導(dǎo)致了每個(gè)區(qū)有不同的沿程阻力系數(shù)。具體情況如下：Ⅰ區(qū)層流區(qū)0<Re<2320Ⅱ區(qū)臨界區(qū)2320<Re<4000Ⅲ區(qū)水力光滑管區(qū)Ⅳ區(qū)過渡區(qū)Ⅴ區(qū)水力粗糙管區(qū)其中：—管路直徑，此處；—管材的絕對(duì)粗糙度，查《水力學(xué)與水利機(jī)械》[24]表5-2可得對(duì)于無縫鋼管油管，=0.04-0.17mm取0.1mm；—雷諾數(shù)，此處，其中為動(dòng)力液運(yùn)動(dòng)粘度，查《水力學(xué)與水利機(jī)械》[24]表1-3可得=1.0×10-6m2/s。所以，經(jīng)計(jì)算得：=27747.47=667536.87所以，所以環(huán)空中的流動(dòng)屬于，其沿程阻力系數(shù)為：=0.02669所以（4-24）式為：=36.526m由于從擴(kuò)散管出口至地面局部壓力損失可以不計(jì)，所以（4-23）式為：聯(lián)立以上（4-21）-（4-24）式，解得：1.154MPa由于在計(jì)算中部分摩阻損失忽略計(jì)算，如油管接箍處的局部阻力損失、從擴(kuò)散管到油套環(huán)空的阻力損失，為了滿足生產(chǎn)要求，所以混合液反排余壓應(yīng)保留稍微大一些，即合適，本次設(shè)計(jì)的射流泵滿足要求。5.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其計(jì)算1-上接頭；2-導(dǎo)液管1；3-噴嘴擋塊；4-噴嘴安裝套；5-噴嘴；6-環(huán)形墊圈1；7-喉管；8-擴(kuò)散管1；9-擴(kuò)散管2；10-導(dǎo)液管2；11-中心筒；12-工作筒；13-連接橋；14-環(huán)形墊圈2；15-下接頭。圖5-1固定型環(huán)形多噴嘴射流泵示意圖5.1確定泵工作筒的外徑和壁厚取射流泵的工作筒外徑為，壁厚一般為，本次設(shè)計(jì)取壁厚為。5.2設(shè)計(jì)環(huán)形多噴嘴（1）噴嘴設(shè)計(jì)取噴嘴長度為8mm，噴嘴壁厚取1.5mm，由前文計(jì)算所得噴嘴直徑，噴嘴材料為硬質(zhì)合金。所以設(shè)計(jì)的噴嘴如圖5-1所示。圖5-2噴嘴示意圖（2）噴嘴安裝套設(shè)計(jì)噴嘴安裝套的主要作用在于安裝，固定噴嘴。由于噴嘴數(shù)目為4，噴嘴直徑，噴嘴壁厚為1.5mm，噴嘴長度為8mm，所以設(shè)計(jì)噴嘴安裝套直徑為，設(shè)計(jì)以鉆了4個(gè)與噴嘴外徑相同圓孔的圓柱作為多噴嘴安裝套，材料為45#剛。如圖5-2所示。圖5-3噴嘴安裝套示意圖5.3設(shè)計(jì)進(jìn)液和排液通道進(jìn)液和排液通道截圖見圖5-3，地層液和混合液交叉通過，需要設(shè)計(jì)一個(gè)橋結(jié)構(gòu)，使地層液能夠通過，且混合液能夠排出。如圖5-3所示，地層液從墊圈中進(jìn)入，墊圈上開有4個(gè)過液長孔，墊圈外徑比泵的工作筒內(nèi)徑小。進(jìn)液和排液橋1的外邊緣開有8個(gè)圓形通孔，用來通過吸入液，橋的中心鉆孔，并在四周均勻布置四個(gè)孔。地層液進(jìn)入墊圈與泵工作筒的環(huán)形空間后經(jīng)進(jìn)液和排液橋1邊緣的四個(gè)通槽流進(jìn)工作筒與內(nèi)筒（用來裝喉管、擴(kuò)散管的圓筒）的環(huán)形空間，該環(huán)形空間與射流泵的吸入室相連通，所以地層液就可以最終流至吸入室。1-進(jìn)液和排液橋；2-工作筒；3-墊圈.圖5-4進(jìn)液和排液通道5.4設(shè)計(jì)上接頭和下接頭上接頭如圖5-5所示，左端跟油管采用螺紋配合，由于油管的螺紋式UPTBG的標(biāo)準(zhǔn)，所以左端螺紋是UPTBG的標(biāo)準(zhǔn)螺紋。圖5-5上接頭結(jié)構(gòu)示意圖下接頭如圖5-6所示，右端跟油管采用螺紋配合，由于油管的螺紋式UPTBG的標(biāo)準(zhǔn)，所以右端螺紋是UPTBG的標(biāo)準(zhǔn)螺紋。圖5-6下接頭結(jié)構(gòu)示意圖6.強(qiáng)度校核射流泵設(shè)計(jì)計(jì)算完成以后需要對(duì)關(guān)鍵部位、受力最大處和壓力較大處進(jìn)行強(qiáng)度校核，以保證泵能在給定的工況下安全工作。本次設(shè)計(jì)需要進(jìn)行強(qiáng)度校核的有以下部位：（1）射流泵工作筒的抗壓強(qiáng)度校核；（2）射流泵噴嘴安裝套擋塊的強(qiáng)度校核。6.1射流泵工作筒的抗壓強(qiáng)度校核工作筒外壁受到排出液壓力；內(nèi)壁受到吸入液壓力；如圖6-1所示：圖6-1工作筒受壓示意圖由于工作筒壁厚為，，，所以應(yīng)當(dāng)按照厚壁情況來處理。圖6-2表示一厚壁圓筒，和分別為圓筒所受的內(nèi)壓力和外壓力。以半徑為和的兩個(gè)相鄰圓柱面和夾角為的兩個(gè)相鄰徑向面，從圓筒中取出單元體，并設(shè)單元體沿軸線方向的尺寸（即垂直于圖面的尺寸）為一單位。-圓管內(nèi)部壓力；-遠(yuǎn)觀外部壓力；φ-單元體位置夾角；-單元體弧度坐標(biāo)；-單元體厚度；-單元體在弧度方向的厚度.圖6-2圓筒應(yīng)力分析圖如圖6-3所示，作用于單元體的柱面ab上的正應(yīng)力稱為徑向應(yīng)力，作用于徑向面上ab上的正應(yīng)力稱為周向應(yīng)力或環(huán)向應(yīng)力。根據(jù)軸對(duì)稱的性質(zhì)，和都只是的函數(shù)，與角無關(guān)。所以cd和ab面上的正應(yīng)力相同，bc面上的正應(yīng)力比ad面上的多一個(gè)增量。也由于對(duì)稱的原因，單元體的周圍四個(gè)面上無切應(yīng)力，和都是主應(yīng)力。6-3單元體應(yīng)力分析圖根據(jù)以上分析可知：單元體四個(gè)面上無切應(yīng)力，和分別是和方向的主應(yīng)力，并參考《材料力學(xué)》[28]力和的計(jì)算公式：（6-1）（6-2）式中：—厚壁圓筒的內(nèi)徑，mm；—厚壁圓筒的外徑，mm；—厚壁圓筒內(nèi)部壓力，MPa；—厚壁圓筒外部壓力，MPa；—單元體所在圓的直徑，mm。已知泵的工作筒：內(nèi)徑=72mm；外徑=82mm；內(nèi)部壓力=6MPa；外部壓力=19.123MPa。取泵工作筒的任一截面上距離軸線的單元體研究，根據(jù)以上結(jié)論可得該單元體在徑向和周向無切應(yīng)力，向和向的主應(yīng)力為因?yàn)楣ぷ魍彩巧舷露际且月菁y方式連接在油管上，所以軸向不受力，即軸向無主應(yīng)力。因此工作筒截面上單元體的應(yīng)力為二向應(yīng)力狀態(tài)。由于工作筒材料選用45#鋼，屬于塑性材料，所以用第三強(qiáng)度理論進(jìn)行校核，即（6-4）（6-5）式中：—數(shù)值最大的主應(yīng)力，MPa；—數(shù)值最小的主應(yīng)力，MPa。屈服準(zhǔn)則為：（6-6）將前面計(jì)算所得的和帶入（6-6）式子，得由于工作筒內(nèi)徑為72mm，外徑為85mm，所以最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力之差的最大值是當(dāng)mm時(shí)取得，即在工作筒內(nèi)壁上最容易發(fā)生材料破壞，最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力之差的最大值為因?yàn)?5#鋼為塑性材料，所以其許用應(yīng)力為（6-6）式中：—45#鋼的許用應(yīng)力，MPa；—45#鋼的屈服極限，MPa；—安全系數(shù)。45#鋼的屈服極限可查《材料力學(xué)》[28]得到=353MPa。對(duì)于安全系數(shù)，因?yàn)楸玫墓ぷ魍矊儆谒懿考⑶仪O限=353MPa，所以此處安全系數(shù)可取=1.5，將各參數(shù)值代入式（6-9）解得45#鋼的許用應(yīng)力為=235MPa經(jīng)比較，，所以工作筒滿足強(qiáng)度要求，是安全的。6.2射流泵噴嘴安裝套擋塊的強(qiáng)度校核如圖6-4所示，噴嘴安裝套安裝在導(dǎo)液管1與噴嘴安裝套擋塊之間，受到噴嘴安裝套凸臺(tái)A-A面受到一個(gè)剪切力的作用，所以需要校核A-A面的剪切強(qiáng)度。圖6-4噴嘴安裝套如圖6-5所示為噴嘴安裝套擋塊A-A受力圖，噴嘴安裝套受到動(dòng)力液壓力作用，而噴嘴安裝套將動(dòng)力液壓力傳遞到噴嘴安裝套擋塊的凸臺(tái)上，取截面A-A研究，由于左方受噴嘴安裝套壓力作用，所以A-A截面上受到剪力的作用，剪力的大小為（6-7）式中：—m-m截面上的剪力，N；—?jiǎng)恿σ簢娮烊肟谔帀毫?，MPa；—噴嘴安裝套擋塊凸臺(tái)內(nèi)徑，mm；—噴嘴安裝套擋塊環(huán)A-A截面所在圓的直徑，mm。圖6-5噴嘴安裝套擋塊A-A截面受力示意圖動(dòng)力液壓力在前文已計(jì)算出MPa，根據(jù)裝配圖可得噴嘴安裝套擋塊凸臺(tái)內(nèi)徑=27mm，噴嘴安裝套擋塊凸臺(tái)A-A截面所在圓的直徑=32mm。根據(jù)切應(yīng)力的公式，A-A截面的切應(yīng)力為（6-8）式中：—截面A-A內(nèi)的切應(yīng)力，MPa；—A-A截面的厚度，mm?！獓娮彀惭b套擋塊凸臺(tái)A-A截面所在圓的直徑，mm；從裝配圖中可得在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)確定的密封圈擋環(huán)A-A截面的厚度為=3.8mm。噴嘴安裝套擋塊凸臺(tái)所受的合力為（6-9）式中：—?jiǎng)恿σ簢娮烊肟谔帀毫?，MPa；A—承受動(dòng)力液壓力的噴嘴安裝套與噴嘴面積和，mm；由零件圖得承受動(dòng)力液壓力的噴嘴安裝套與噴嘴面積和A=298.81mm2。所以N將帶入（6-8）式，解得截面A-A內(nèi)的切應(yīng)力為=28.854MPa噴嘴安裝套擋塊的材料為45#鋼，其許用切應(yīng)力查《理論力學(xué)》[28]為MPa，顯然，所以A-A截面滿足剪切強(qiáng)度要求，此處安全。7.結(jié)論射流泵設(shè)計(jì)理論研究已有100多年的歷史，它是一種依靠流體之間動(dòng)量交換來工作的流體機(jī)械泵，由于它沒有運(yùn)動(dòng)，具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、易于操作、便于維護(hù)和綜合利用等特點(diǎn)，被廣泛用于各個(gè)行業(yè)中，尤其是在石油行業(yè)的采油設(shè)備中，射流泵更有不可代替的優(yōu)越性。然而傳統(tǒng)液體射流泵只有一個(gè)噴嘴,由于其原始結(jié)構(gòu)尺寸較大，效率較低不利于射流泵的安裝與應(yīng)用。因此針對(duì)上述問題提出多噴嘴射流泵的研制。多噴嘴射流泵相比較具有工作壓力高、當(dāng)量噴嘴大小可以調(diào)節(jié)、噴嘴不會(huì)堵塞、磨損小、結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，具有相當(dāng)廣闊的應(yīng)用前景和較高的研究價(jià)值。本文專門設(shè)計(jì)了固定型環(huán)形多噴嘴射流泵采油裝置，并根據(jù)給定的工況數(shù)據(jù)計(jì)算設(shè)計(jì)出了射流泵的結(jié)構(gòu)尺寸，校核了結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。本文的主要成果如下：（1）闡述了射流泵研究的背景與意義，介紹了射流泵的發(fā)展歷史、基本特性和基本應(yīng)用，并且說明了射流泵目前存在的問題，以及對(duì)射流泵的前景進(jìn)行了展望；（2）介紹了射流泵面積比、流量比、壓力比和容重比等射流泵參數(shù)；（3）介紹了固定型環(huán)行多噴嘴射流泵的工作原理，并且跟傳統(tǒng)但噴嘴進(jìn)行比較，充分表現(xiàn)了固定型環(huán)行多噴嘴的優(yōu)勢(shì)；（4）設(shè)計(jì)了固定型環(huán)行多噴嘴的總體結(jié)構(gòu)，計(jì)算了泵的各個(gè)部件尺寸與有關(guān)水利參數(shù)；（5）對(duì)泵的關(guān)鍵部位、受力最大處和壓力較大處進(jìn)行強(qiáng)度校核，以保證泵能在給定的工況下安全工作。參考文獻(xiàn)[1]RankineJM.Onthemathematicaltheoryofcombinedstreams[M].Landon:Tuwert,1870:24-26.[2]GoslineJE,ObrienMP.Thewaterjetpump[M].California:Hewron,1934:57-60.[3]CoffJA,CoognCH.Sometwodimensionalaspectsof