錢(qián)濤,陳紅勛,梁成鵬

(上海大學(xué)上海市應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué)研究所,上?！?00072)

基于CFD的潛液式液化天然氣泵導(dǎo)葉設(shè)計(jì)

錢(qián)濤,陳紅勛,梁成鵬

(上海大學(xué)上海市應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué)研究所,上海200072)

潛液式液化天然氣(liquefied natural gas,LNG)泵工作時(shí),屏蔽電機(jī)和泵體全部浸沒(méi)在低溫液體中.為減小泵的徑向和軸向尺寸,潛液式LNG泵采用了一種特殊結(jié)構(gòu)的導(dǎo)葉.在分析潛液式LNG泵導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,研究導(dǎo)葉進(jìn)口喉部寬度和折轉(zhuǎn)角對(duì)泵設(shè)計(jì)工況水力性能的影響.首先,設(shè)計(jì)不同幾何參數(shù)的導(dǎo)葉,并分別與同一葉輪進(jìn)行匹配；再通過(guò)ANSYS CFX軟件,采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型對(duì)各導(dǎo)葉分別進(jìn)行全流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算.計(jì)算結(jié)果表明：進(jìn)口喉部寬度是潛液式LNG泵導(dǎo)葉的關(guān)鍵尺寸,設(shè)計(jì)時(shí)需重點(diǎn)考慮；進(jìn)口喉部寬度存在最優(yōu)值,且最優(yōu)值大于經(jīng)驗(yàn)值；進(jìn)口折轉(zhuǎn)角對(duì)泵揚(yáng)程和效率影響較小.因此,設(shè)計(jì)導(dǎo)葉時(shí)可優(yōu)先確定其他關(guān)鍵尺寸,再通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)口折轉(zhuǎn)角改善導(dǎo)葉的結(jié)構(gòu).

潛液式液化天然氣泵；導(dǎo)葉；喉部寬度；折轉(zhuǎn)角；數(shù)值模擬

近年來(lái),清潔能源液化天然氣(liquefied natural gas,LNG)的使用在我國(guó)發(fā)展迅速,潛液式LNG泵(簡(jiǎn)稱(chēng)LNG泵)的應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)大.LNG泵的結(jié)構(gòu)如圖1所示,其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)有助于屏蔽電機(jī)并使泵體全部浸沒(méi)在低溫液體中,達(dá)到零泄漏[1].圖2為L(zhǎng)NG泵的過(guò)流部件,其基本工作過(guò)程如下：與葉輪和誘導(dǎo)輪共軸的電機(jī)帶動(dòng)泵軸高速旋轉(zhuǎn),從而帶動(dòng)誘導(dǎo)輪和葉輪轉(zhuǎn)動(dòng),導(dǎo)葉則固定在泵體上；低溫液體經(jīng)過(guò)誘導(dǎo)輪進(jìn)入葉輪后在離心力作用下從葉輪出口甩出,然后進(jìn)入導(dǎo)葉入口,減速擴(kuò)壓后進(jìn)入到下一級(jí)的葉輪,再經(jīng)過(guò)下一級(jí)導(dǎo)葉壓出.

圖1　LNG泵的結(jié)構(gòu)Fig.1　Structure of LNG pump

圖2　LNG泵的過(guò)流部件Fig.2　Overflow parts of LNG pump

導(dǎo)葉是LNG泵的關(guān)鍵過(guò)流部件之一,其設(shè)計(jì)的好壞對(duì)泵的性能有著重要的影響.已有研究表明,導(dǎo)葉內(nèi)的水力損失約占泵內(nèi)水力損失的40%～50%[2-6].導(dǎo)葉的主要作用是收集葉輪中甩出的液體,并將液體的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓能后輸送至下一級(jí)吸入口或排出口.根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的不同,現(xiàn)有的導(dǎo)葉主要有徑向?qū)~、流道式導(dǎo)葉和空間導(dǎo)葉(見(jiàn)圖3).徑向?qū)~的正導(dǎo)葉和反導(dǎo)葉相互隔開(kāi),導(dǎo)葉出口的直徑相比葉輪直徑增大30%左右[7].但只有反導(dǎo)葉而沒(méi)有正導(dǎo)葉的徑向?qū)~雖然可以縮小徑向尺寸,但匹配高轉(zhuǎn)速葉輪時(shí),由于甩出的液體圓周分速度較大,液體會(huì)直接進(jìn)入反導(dǎo)葉從而產(chǎn)生堵塞導(dǎo)致水力性能降低.流道式導(dǎo)葉的工作效率較高,但設(shè)計(jì)和制造難度較大[8].空間導(dǎo)葉和流道式導(dǎo)葉類(lèi)似,正反導(dǎo)葉合為一體,其軸向尺寸較大[9].由于LNG泵轉(zhuǎn)速較高,且其泵體浸沒(méi)在液體容器中,緊湊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)對(duì)節(jié)約泵裝置安裝空間和生產(chǎn)成本意義重大,因此LNG泵的導(dǎo)葉采用如圖2所示的特殊設(shè)計(jì).考慮到導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)的特殊性,有必要分析其設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)泵性能的影響,這不僅可為L(zhǎng)NG泵導(dǎo)葉的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供參考,也可為多級(jí)離心泵導(dǎo)葉的設(shè)計(jì)提供新思路.

圖3　泵導(dǎo)葉的常見(jiàn)設(shè)計(jì)Fig.3　Popular design of pump diffuser

隨著流體力學(xué)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)性能的提高,計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamics,CFD)技術(shù)成為模擬泵內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律和預(yù)測(cè)水力性能的重要工具.相對(duì)于離心泵的葉輪及其蝸殼內(nèi)部流場(chǎng)的分析計(jì)算和特性研究,國(guó)內(nèi)對(duì)于導(dǎo)葉性能的數(shù)值研究較少.徐媛暉等[10]設(shè)計(jì)出一款新型軸向?qū)~,并將同一葉輪分別與兩個(gè)導(dǎo)葉進(jìn)行匹配,再對(duì)這兩組模型分別進(jìn)行了全流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算,結(jié)果表明該新型軸向?qū)~能夠改善導(dǎo)葉內(nèi)部流動(dòng),提高井泵的水力性能.周嶺等[11]針對(duì)深井離心泵,設(shè)計(jì)了三維曲面導(dǎo)葉與圓柱形導(dǎo)葉,并進(jìn)行了全流場(chǎng)數(shù)值模擬,為優(yōu)化導(dǎo)葉水力性能提供了參考.叢小青等[12]對(duì)一空間導(dǎo)葉式離心泵進(jìn)行全流道三維湍流數(shù)值計(jì)算,分析了設(shè)計(jì)工況下整個(gè)流道、環(huán)形空間及其空間導(dǎo)葉內(nèi)部的流場(chǎng)分布,并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果.李家文等[13]針對(duì)液氫泵提出了一種流道式導(dǎo)葉的設(shè)計(jì)方法,降低了級(jí)間導(dǎo)葉的損耗,提高了液氫泵的工作效率.

本工作主要借助數(shù)值模擬分析不同幾何參數(shù)對(duì)LNG泵導(dǎo)葉水力性能的影響.首先,分析LNG泵導(dǎo)葉的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和幾何參數(shù)選取方法；然后,在保證其他參數(shù)不變的情況下,分別改變進(jìn)口喉部寬度和轉(zhuǎn)折角,設(shè)計(jì)出不同的導(dǎo)葉,并將導(dǎo)葉與同一葉輪進(jìn)行匹配.通過(guò)ANSYS CFX軟件,在設(shè)計(jì)工況下對(duì)各模型進(jìn)行全流場(chǎng)定常數(shù)值計(jì)算；最后,根據(jù)三維數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析進(jìn)口喉部寬度和折轉(zhuǎn)角對(duì)LNG泵導(dǎo)葉水力性能的影響.

1　LNG泵導(dǎo)葉的幾何描述

圖4為L(zhǎng)NG泵導(dǎo)葉的三維模型,其中R3為導(dǎo)葉進(jìn)口半徑,R4為導(dǎo)葉外圓半徑,α3和β為導(dǎo)葉葉片進(jìn)口的安裝角和折轉(zhuǎn)角,a3和b3為導(dǎo)葉進(jìn)口喉部的寬度和高度,δ為導(dǎo)葉葉片入口的厚度,a4和b4為導(dǎo)葉出口喉部的寬度和高度.由圖4可以看出,流道沿周向均勻布置,圓弧AB,BC沿著導(dǎo)葉中心軸旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度得到下一個(gè)流道的進(jìn)口邊.

圖4　LNG泵導(dǎo)葉的三維模型Fig.4　3D model of LNG pump diffuser

LNG泵導(dǎo)葉的主要結(jié)構(gòu)為進(jìn)口擴(kuò)散段、轉(zhuǎn)向段和出口導(dǎo)流柵三部分.液體以一定的液流角沿AB段匯集到導(dǎo)葉入口,再流入導(dǎo)葉進(jìn)口擴(kuò)散段,由于β＞α3,流道寬度和深度都逐漸增加,液體的速度降低,動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓能；接著,液體經(jīng)過(guò)導(dǎo)葉圓弧轉(zhuǎn)向段,沿圓周半徑方向流出導(dǎo)葉擴(kuò)散段；最后,不同流道的液體在空腔匯集后經(jīng)過(guò)導(dǎo)流柵沿軸向流入下一級(jí)葉輪.液體沿軸向進(jìn)入導(dǎo)葉入口時(shí),流動(dòng)類(lèi)似于空間導(dǎo)葉,而進(jìn)口擴(kuò)散段又類(lèi)似于徑向?qū)~的正導(dǎo)葉,因此LNG泵導(dǎo)葉具有軸向和徑向尺寸均較小的優(yōu)點(diǎn).另外,流道多為圓弧形結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)和加工都較為方便.

2　水力模型

LNG泵設(shè)計(jì)工況參數(shù)如下：流量Q=20.4 m3/h,揚(yáng)程H=200 m,轉(zhuǎn)速n=6 000 r/min,級(jí)數(shù)為兩級(jí).一級(jí)葉輪和導(dǎo)葉與二級(jí)葉輪和導(dǎo)葉的水力設(shè)計(jì)相同,因此本工作只取LNG泵的一級(jí)葉輪和導(dǎo)葉進(jìn)行數(shù)值模擬.考慮到誘導(dǎo)輪的主要作用是改變?nèi)~輪的進(jìn)口入流條件以及提高葉輪的抗空化性能,本工作計(jì)算時(shí)未考慮誘導(dǎo)輪的作用.流體域由進(jìn)口段、一級(jí)葉輪、一級(jí)導(dǎo)葉、腔體以及出口段組成.

2.1葉輪水力模型

LNG泵一級(jí)葉輪的幾何參數(shù)如表1所示,其三維造型如圖5所示.

表1　LNG泵一級(jí)葉輪的幾何參數(shù)Table 1　Geometric parameters of the primary impeller in LNG pump

圖5　LNG泵葉輪的三維模型Fig.5　3D model of LNG pump impeller

2.2導(dǎo)葉水力模型

借鑒徑向?qū)~的設(shè)計(jì)方法,LNG泵導(dǎo)葉主要幾何參數(shù)的計(jì)算如下.

(1)根據(jù)葉輪出口直徑D2,選取導(dǎo)葉進(jìn)口直徑D3,有

(2)選取導(dǎo)葉葉片數(shù)Z2.本工作中葉輪的葉片數(shù)為4,為減小泵的振動(dòng),導(dǎo)葉的葉片數(shù)選為7.(3)根據(jù)速度系數(shù)法[2],計(jì)算進(jìn)口喉部面積F3,有

(4)確定導(dǎo)葉出口喉部面積F4,有

式中,出口速度v4選取3～5 m/s的流速,目的是減少液體在環(huán)形空腔內(nèi)的流動(dòng)損失.

(5)計(jì)算導(dǎo)葉進(jìn)出口的喉部寬度a3,a4以及高度b3,b4.因?yàn)?/p>

且有數(shù)據(jù)表明喉部斷面接近正方形效果較佳[2],所以可取

另外,導(dǎo)葉的外圓直徑為

(6)選取導(dǎo)葉葉片的入口厚度δ,有

(7)計(jì)算導(dǎo)葉進(jìn)口安裝角α3,有

式中,vm3為導(dǎo)葉進(jìn)口軸面速度,vu3為導(dǎo)葉進(jìn)口圓周速度,α為進(jìn)口沖角.

(8)根據(jù)進(jìn)口安裝角α3,選取折轉(zhuǎn)角β=α3+(6°～10°),其中β的選取應(yīng)考慮導(dǎo)葉的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),避免導(dǎo)葉的部分面穿透或太薄.

根據(jù)上述設(shè)計(jì)方法初步得到的LNG泵導(dǎo)葉A0的幾何參數(shù)如表2所示.可以看出,導(dǎo)葉外圓直徑僅比葉輪直徑增加12.8%.LNG泵導(dǎo)葉的進(jìn)口擴(kuò)散段的幾何參數(shù)有α3,β,a3,它們決定了導(dǎo)葉進(jìn)口喉部面積的大小,也決定了擴(kuò)散段的形狀,從而影響導(dǎo)葉與葉輪的匹配程度,其中α3可通過(guò)計(jì)算液流進(jìn)口角確定,進(jìn)口喉部寬度a3和折轉(zhuǎn)角β的確定則有待進(jìn)一步研究.

表2　LNG泵導(dǎo)葉的幾何參數(shù)Table 2　Geometric parameters of LNG pump diffuser

3　數(shù)值模擬

為分析LNG泵導(dǎo)葉在設(shè)計(jì)工況下的水力性能,對(duì)LNG泵一級(jí)葉輪和一級(jí)導(dǎo)葉匹配后的流道進(jìn)行定常數(shù)值計(jì)算.

3.1流道建模和網(wǎng)格劃分

計(jì)算流體域分塊建模如下：通過(guò)UG軟件的求差運(yùn)算功能得到葉輪旋轉(zhuǎn)部分流道和導(dǎo)葉靜止部分流道,其中進(jìn)口和出口段適當(dāng)延長(zhǎng),考慮葉輪蓋板與腔體及導(dǎo)葉之間的間隙,而不考慮液體軸間的泄露.LNG泵的幾何模型如圖6所示.LNG泵流道的網(wǎng)格劃分在ICEM CFD軟件中完成(見(jiàn)圖7),其中進(jìn)口段、出口段以及葉輪采用全六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,導(dǎo)葉部分由于幾何結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜,采用適應(yīng)性較好的非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格.計(jì)算時(shí)通過(guò)網(wǎng)格拼接技術(shù)將各塊網(wǎng)格耦合,其中進(jìn)口為9萬(wàn)計(jì)算單元,葉輪為152萬(wàn)計(jì)算單元,出口為13萬(wàn)計(jì)算單元.對(duì)于不同的導(dǎo)葉,采用同一套進(jìn)口、葉輪和出口網(wǎng)格.

圖6　LNG泵的幾何模型Fig.6　Geometric model of LNG pump

圖7　LNG泵的計(jì)算網(wǎng)格Fig.7　Computational mesh of LNG pump

導(dǎo)葉進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí),導(dǎo)葉考慮擴(kuò)散段為關(guān)鍵過(guò)流段,因此對(duì)其流道采用密度盒加密設(shè)置.為檢驗(yàn)不同網(wǎng)格數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響,根據(jù)A0導(dǎo)葉與葉輪匹配計(jì)算的揚(yáng)程來(lái)進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn),其中導(dǎo)葉擴(kuò)散段密度盒尺寸設(shè)置為1.5～0.4 mm,導(dǎo)葉網(wǎng)格數(shù)從200萬(wàn)增加到540萬(wàn).數(shù)值計(jì)算結(jié)果如圖8所示,可以看出：當(dāng)導(dǎo)葉網(wǎng)格數(shù)從200萬(wàn)增加到540萬(wàn)時(shí),揚(yáng)程變化不超過(guò)4%；當(dāng)網(wǎng)格數(shù)大于430萬(wàn)時(shí),揚(yáng)程變化在0.5%以?xún)?nèi).考慮到計(jì)算的效率和精度,本工作中導(dǎo)葉的網(wǎng)格設(shè)置如下：擴(kuò)散段流道密度盒尺寸為0.5 mm,全局尺寸為2 mm,導(dǎo)葉單元數(shù)為400萬(wàn)～500萬(wàn).對(duì)于不同的導(dǎo)葉,均采用相同的網(wǎng)格設(shè)置方式.

圖8　揚(yáng)程隨導(dǎo)葉網(wǎng)格數(shù)的變化曲線Fig.8　Variation curve of head with diffuser mesh number

3.2計(jì)算模型與定解條件

對(duì)于離心泵內(nèi)部的不可壓縮流動(dòng),本工作采用ANSYS CFX求解守恒型雷諾時(shí)均方程,并選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩方程湍流模型進(jìn)行封閉.葉輪采用固系于旋轉(zhuǎn)葉輪上的相對(duì)參考系,導(dǎo)葉及腔體采用靜止坐標(biāo)系,動(dòng)、靜域之間采用Frozen Rotor的動(dòng)靜交接面模型.計(jì)算時(shí),對(duì)流項(xiàng)采用高分辨率格式,流場(chǎng)求解使用全隱式多重網(wǎng)格耦合方法,這不僅能夠同時(shí)求解連續(xù)方程和動(dòng)量方程,還能提高計(jì)算收斂速度和穩(wěn)定性.

進(jìn)口條件選用總壓進(jìn)口條件,參考?jí)毫υO(shè)為101.325 kPa(1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓),總壓設(shè)為0 Pa；出口設(shè)定流量出口；葉輪旋轉(zhuǎn)部分設(shè)定轉(zhuǎn)速6 000 r/min；時(shí)間步設(shè)為1 500步.自定義設(shè)置介質(zhì)屬性,液態(tài)天然氣密度為441.36 kg/m3,動(dòng)力黏度為0.2 mPa·s.

3.3進(jìn)口喉部寬度的影響

為分析進(jìn)口喉部寬度對(duì)導(dǎo)葉性能的影響,設(shè)計(jì)了不同進(jìn)口喉部寬度的導(dǎo)葉A1～A7(見(jiàn)表3).圖9為A1,A4,A7的結(jié)構(gòu)對(duì)比.可以看出,隨著進(jìn)口喉部寬度a3的增大,導(dǎo)葉擴(kuò)散段結(jié)構(gòu)由狹長(zhǎng)形變成短寬形.通過(guò)數(shù)值模擬,得到了a3不同時(shí)的單級(jí)泵在設(shè)計(jì)工況點(diǎn)下的揚(yáng)程和效率(見(jiàn)圖10).

表3　不同LNG泵導(dǎo)葉的進(jìn)口喉部寬度Table 3　Inlet widths of different LNG pump diffusersmm

圖9　導(dǎo)葉A1,A4和A7的對(duì)比Fig.9　Comparisons of diffusers A1,A4 and A7

從圖10可以看出：導(dǎo)葉進(jìn)口喉部寬度對(duì)單級(jí)泵的揚(yáng)程和效率有較大的影響,隨著進(jìn)口寬度的增大,單級(jí)泵的揚(yáng)程和效率先有較大的提升,然后提升幅度逐漸收窄,達(dá)到最大值后回落；進(jìn)口喉部寬度存在最優(yōu)值,且最優(yōu)值大于速度系數(shù)法計(jì)算所得數(shù)值.

圖10　不同進(jìn)口喉部寬度導(dǎo)葉性能的對(duì)比Fig.10　Performances comparison of diffusers with different inlet widths

圖11為導(dǎo)葉A1,A0,A5和A7擴(kuò)散段橫截面的流線圖.可以看出,各導(dǎo)葉擴(kuò)散段流道內(nèi)都存在分離渦.導(dǎo)葉A1由于進(jìn)口喉部面積偏小,流道狹長(zhǎng),進(jìn)口流速過(guò)大,擴(kuò)散段內(nèi)的漩渦大小約占流道長(zhǎng)度的70%,流態(tài)較差,且流出擴(kuò)散段后,大部分液體仍然存在較大的切向速度,導(dǎo)葉損失較大.導(dǎo)葉A7則由于進(jìn)口喉部面積過(guò)大,且流道長(zhǎng)度過(guò)短,導(dǎo)致液體在導(dǎo)葉內(nèi)不能充分?jǐn)U散,經(jīng)過(guò)擴(kuò)散后的液體也存在較大的切向速度.導(dǎo)葉A0和A5的流態(tài)相對(duì)較好,液體流出擴(kuò)散段后切向速度較小,這有利于液體沿著軸向進(jìn)入下一級(jí)葉輪進(jìn)口端.因此,在設(shè)計(jì)LNG泵導(dǎo)葉時(shí)應(yīng)避免進(jìn)口喉部寬度取值過(guò)小,可選取比速度系數(shù)法計(jì)算的數(shù)值稍大的進(jìn)口喉部寬度.

圖11　進(jìn)口喉部寬度不同時(shí)導(dǎo)葉擴(kuò)散段橫截面流線的對(duì)比Fig.11　Comparisons of cross section streamline for diffusers with different inlet widths

3.4折轉(zhuǎn)角β的影響

為分析進(jìn)口折轉(zhuǎn)角β對(duì)LNG泵導(dǎo)葉性能的影響,參照導(dǎo)葉A4的幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了導(dǎo)葉A8～A10(見(jiàn)表4).圖12為不同進(jìn)口折轉(zhuǎn)角導(dǎo)葉的結(jié)構(gòu)對(duì)比.可以看出,隨著β的減小,圓圈處的壁面厚度逐漸減小直至穿透,導(dǎo)葉的擴(kuò)散段長(zhǎng)度有所增加.

表4　不同LNG泵導(dǎo)葉的折轉(zhuǎn)角Table 4　Turning angles of different LNG pump diffusers(°)

圖12　導(dǎo)葉A4,A8和A9的對(duì)比Fig.12　Comparisons of diffusers A4,A8 and A9

圖13為導(dǎo)葉進(jìn)口轉(zhuǎn)折角β不同時(shí)單級(jí)泵的揚(yáng)程和效率.可以看出,β對(duì)單級(jí)泵的揚(yáng)程和效率影響較小,揚(yáng)程變動(dòng)范圍為1 m以?xún)?nèi).圖14為導(dǎo)葉A4,A8和A9擴(kuò)散段橫截面的流線圖.可以看出,導(dǎo)葉內(nèi)部流態(tài)較相似.鑒于進(jìn)口轉(zhuǎn)折角對(duì)LNG泵導(dǎo)葉的水力性能影響較小,在設(shè)計(jì)導(dǎo)葉時(shí),可以?xún)?yōu)先確定其他關(guān)鍵尺寸,最后再通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)口轉(zhuǎn)折角改善導(dǎo)葉的結(jié)構(gòu).

圖13　不同進(jìn)口折轉(zhuǎn)角的導(dǎo)葉性能對(duì)比Fig.13　Performance comparisons of diffusers with different turning angles

圖14　折轉(zhuǎn)角不同時(shí)導(dǎo)葉擴(kuò)散段橫截面流線的對(duì)比Fig.14　Comparisons of cross section streamline for diffusers with different turning angles

4　結(jié)束語(yǔ)

LNG泵的導(dǎo)葉不同于常規(guī)導(dǎo)葉,其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊,徑向和軸向尺寸都相對(duì)較小,加工更加方便.本工作在分析LNG泵導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,重點(diǎn)考慮進(jìn)口喉部寬度和折轉(zhuǎn)角對(duì)設(shè)計(jì)工況下泵水力性能的影響.通過(guò)設(shè)計(jì)不同幾何參數(shù)的LNG泵導(dǎo)葉,將設(shè)計(jì)導(dǎo)葉分別與同一葉輪進(jìn)行匹配,并借助數(shù)值模擬計(jì)算LNG泵導(dǎo)葉的性能.研究結(jié)果表明：進(jìn)口喉部寬度是LNG泵導(dǎo)葉的關(guān)鍵尺寸,設(shè)計(jì)時(shí)需重點(diǎn)考慮；進(jìn)口喉部寬度存在最優(yōu)值,且最優(yōu)值大于速度系數(shù)法計(jì)算的值；導(dǎo)葉進(jìn)口折轉(zhuǎn)角對(duì)泵揚(yáng)程影響較小,設(shè)計(jì)時(shí)可最后考慮通過(guò)改變折轉(zhuǎn)角改善導(dǎo)葉的結(jié)構(gòu).

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Design of liquefied natural gas submerged pump guide vane based on CFD

QIAN Tao,CHEN Hongxun,LIANG Chengpeng
(Shanghai Institute of Applied Mathematics and Mechanics,Shanghai University, Shanghai 200072,China)

Liquefied natural gas(LNG)submerged pump is designed to immerse its canned motor and pump body into cryogenic liquid.To reduce radial and axial sizes,special guide vanes with different structures from popular ones are used.By analyzing the LNG pump structure,two key geometric parameters,inlet width and turning angle,were investigated to see how they affect pump hydraulic performance in the design.LNG pump guide vanes with different inlet widths and turning angles were designed to assemble the same impeller. Three-dimensional turbulent flows of different models were then numerically simulated using a standard k-ε turbulence model with ANSYS CFX.The comparative study revealed that optimum value of inlet width exited,and was larger than experience-based values. Inlet width had great influence on the pump performance,while turning angle was much less important.Therefore,designing an LNG pump guide vane,inlet width should be given high priority,and turning angle should be adjustable for structural design.

liquefied natural gas(LNG)submerged pump；guide vane；inlet width；turning angle；numerical simulation

TH 311

A

1007-2861(2016)05-0606-10

10.3969/j.issn.1007-2861.2015.01.016

2015-03-18

陳紅勛(1962—),男,研究員,博士生導(dǎo)師,博士,研究方向?yàn)榱黧w機(jī)械、計(jì)算水動(dòng)力學(xué). E-mail:chenhx@shu.edu.cn