电潜泵开槽叶轮设计与性能分析：解决高含气量(GVF>10%)工况下的气锁与压头衰减问题

针对传统离心式电潜泵(ESP)在气体体积分数(GVF)>10%时出现的气锁和压头衰减问题，研究人员通过正交实验(四因素/四水平)结合计算流体力学(CFD)技术，设计了一种新型开槽叶轮。优化后的双槽结构(R1=29 mm/b1=2 mm/β=60°; R2=24 mm/b2=1 mm)在GVF=30%时实现2.644 m压头和23.838%效率，并将高GVF区域(GVF>80%)降至1.067%。该设计通过阶梯式增压实现气泡分散流动，为高含气油井提供了无需外部分离器的解决方案。

　　

在油气开采领域，电潜泵(ESP)作为高效的人工举升技术，长期受困于高含气流体(GVF>10%)引发的气锁和性能衰减难题。传统解决方案依赖外部分离装置，不仅增加系统复杂度，在GVF>30%时仍面临效率骤降。这一瓶颈促使研究人员探索叶轮自身结构的创新突破。

中国某高校团队在《Results in Engineering》发表的研究，通过正交实验与CFD仿真相结合，开创性地提出开槽叶轮设计。研究采用四因素四水平正交表(L16(4⁴))，以槽位置(R)、宽度(b)、偏转角(β)和深度(h)为变量，结合SST k-ω湍流模型和欧拉双流体模型，系统分析了30%GVF工况下的流场特性。关键技术包括：基于Q10型ESP建立三维参数化模型，通过ICEM CFD生成混合网格(150万单元)，采用Frozen Rotor算法处理旋转/静止域耦合，并验证了网格独立性(误差<8%)。

研究结果揭示：

1. 参数敏感性：偏转角β=60°对性能影响最大(贡献率53.7%)，各因素优先级为β>b>R>h。单槽最优组合(R=29 mm/b=2 mm/β=60°/h=0.75)使GVF>80%区域降至3.757%。
2. 双槽协同效应：增设R=24 mm/b=1 mm的次级槽后，通过"前槽破碎-后槽均化"的阶梯增压机制，GVF>80%区域进一步降至1.067%，同时压头提升9.8%。
3. 流场调控机制：槽结构产生横向射流，破坏压力面气膜(厚度减少71.6%)，将聚集态气泡转化为分散流，涡量强度降低64%。
4. 性能对比：双槽设计在GVF=30%时压头(2.644 m)比传统泵提升38%，且消除气锁阈值从10%提升至30%。

讨论部分强调，该设计通过"主动流场控制"替代被动分离，其创新性体现在：
• 首次量化双槽参数对气泡演变的协同控制效应
• 建立槽结构-压力梯度-气泡分布的定量关系
• 现场应用中无需改造井筒结构即可适配GVF波动工况

这项研究为高含气油田开发提供了革命性的技术路径，其设计原理可拓展至其他旋转机械的多相流优化领域。未来工作将聚焦于多级串联工况验证和瞬态GVF波动适应性研究。