呂程輝，肖志遠(yuǎn)，甘正林

LNG潛液泵推力平衡機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

呂程輝，肖志遠(yuǎn)，甘正林

針對(duì)LNG潛液泵軸向力平衡問(wèn)題，分析推力平衡機(jī)構(gòu)的工作原理，提出一種推力平衡機(jī)構(gòu)關(guān)鍵尺寸的計(jì)算方法，并根據(jù)該計(jì)算方法設(shè)計(jì)Ⅰ型泵的推力平衡機(jī)構(gòu)，分析得到推力平衡機(jī)構(gòu)尺寸與泄漏量的關(guān)系，結(jié)果表明，推力平衡機(jī)構(gòu)的平衡腔的內(nèi)徑或外徑增大時(shí)，泄漏量增大。

液化天然氣；潛液泵；推力平衡機(jī)構(gòu)；軸向力；泄漏量

目前，我國(guó)正在大力發(fā)展LNG產(chǎn)業(yè)，預(yù)計(jì)到2020年中國(guó)天然氣基礎(chǔ)設(shè)施的投資累計(jì)達(dá)2 000多億元[1]。LNG在整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈中的轉(zhuǎn)運(yùn)都需要使用LNG輸送泵。由于LNG溫度低且易燃易爆，LNG輸送泵的密封性能、電氣安全性能、可靠性等要求更高。目前常見(jiàn)的LNG輸送泵大多為潛液泵。

LNG潛液泵的葉輪和電機(jī)轉(zhuǎn)子同軸，均浸沒(méi)在LNG中。泵的軸向力過(guò)大會(huì)導(dǎo)致軸承磨損，影響泵的壽命和維修周期，因此推力平衡機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是LNG潛液泵的關(guān)鍵技術(shù)之一。

1 工作原理

目前，軸向力的研究集中在普通的離心泵，通常采用在葉輪后蓋板上設(shè)置密封環(huán)，同時(shí)在葉輪輪轂處開(kāi)平衡孔或在蓋板上增加背葉片來(lái)平衡軸向力[2]，相關(guān)論文對(duì)軸向力進(jìn)行了計(jì)算[3-4]。但由于傳統(tǒng)的方法不能完全平衡軸向力，因此LNG潛液泵采用的軸向力平衡方法和傳統(tǒng)方法不同，目前相關(guān)研究成果也不多，大多為原理性質(zhì)[5-6]。圖1為L(zhǎng)NG潛液泵中常用的兩種推力平衡機(jī)構(gòu)。

Ⅰ型推力平衡機(jī)構(gòu)和末級(jí)葉輪一體，隨轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)，推力平衡機(jī)構(gòu)和葉輪上部磨損環(huán)形成固定徑向間隙，和靜推力盤(pán)形成可變軸向間隙。其工作原理如下：由于推力平衡機(jī)構(gòu)的上部磨損環(huán)直徑大于下部磨損環(huán)直徑，因此潛液泵工作過(guò)程中受到液壓合力豎直向上，使轉(zhuǎn)子組件向上移動(dòng)，導(dǎo)致推力平衡機(jī)構(gòu)和靜推力盤(pán)之間的軸向間隙減小，平衡腔的壓力增大。當(dāng)平衡腔的壓力增大至大于液壓合力時(shí)，轉(zhuǎn)子部件又向下移動(dòng)，推力平衡機(jī)構(gòu)和靜推力盤(pán)之間的軸向間隙增大，平衡腔壓力減小。經(jīng)過(guò)推力平衡機(jī)構(gòu)反復(fù)連續(xù)的自調(diào)節(jié)，可以使泵的軸向力完全平衡[7]。

Ⅱ型推力平衡機(jī)構(gòu)為平衡鼓結(jié)構(gòu)，裝在末級(jí)葉輪之后，隨轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)，平衡鼓和軸承座形成固定徑向間隙，和擋板形成可變軸向間隙。其工作原理如下：由于葉輪前后蓋板不對(duì)稱，前蓋板在吸入口部分沒(méi)有蓋板，且潛液泵為立式布置，因此潛液泵工作過(guò)程中葉輪受到的液壓合力豎直向下。此時(shí)，軸向可變間隙最大，且擋板下方和出口相通，為高壓液體，因此高壓液體通過(guò)軸向間隙進(jìn)入平衡腔，使轉(zhuǎn)子組件向上移動(dòng)，導(dǎo)致平衡鼓和擋板之間的軸向間隙減小，平衡腔的壓力減小。當(dāng)平衡腔的壓力減小至小于葉輪受到的液壓合力時(shí)，轉(zhuǎn)子部件又向下移動(dòng)，平衡鼓和擋板之間的軸向間隙增大，平衡腔壓力增大。經(jīng)過(guò)平衡鼓反復(fù)連續(xù)的自調(diào)節(jié)，可以使泵的軸向力完全平衡。

2 計(jì)算方法

采用Ⅰ型推力平衡機(jī)構(gòu)。其計(jì)算原理見(jiàn)圖2，推力平衡機(jī)構(gòu)的總壓差Δp等于徑向間隙壓差Δp1和軸向間隙壓差Δp2之和。

即Δp=Δp1+Δp2，Δp1=Δp3-Δp4，Δp2=Δp4-Δp5

定義靈敏度k=Δp2/Δp，計(jì)算時(shí)通常采用校核計(jì)算的方法，先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)初步確定R3和R4，假設(shè)進(jìn)口壓降系數(shù)φ=0.3～0.4計(jì)算R5，平衡盤(pán)計(jì)算完成后校驗(yàn)φ值，應(yīng)與假定值相符，否則重新假定進(jìn)行計(jì)算。最后校核k值和相對(duì)泄漏量，k值應(yīng)在0.3～0.5范圍內(nèi)，相對(duì)泄漏量應(yīng)小于5%，否則重新假定尺寸進(jìn)行計(jì)算。

2.1 軸向力計(jì)算

1)前蓋板力A1。作用在前蓋板的壓力，上部磨損環(huán)以外部分的壓力與后蓋板對(duì)稱作用的壓力相互抵消，因此在計(jì)算前蓋板力時(shí)，只計(jì)算上部磨損環(huán)至下部磨損環(huán)之間的壓力。

假設(shè)蓋板兩側(cè)腔的液體無(wú)泄漏流動(dòng)，并以葉輪旋轉(zhuǎn)角速度之半ω/2旋轉(zhuǎn)[8]，則半徑R處的壓頭為

葉輪出口勢(shì)揚(yáng)程

葉輪前蓋板任意半徑R處，作用的壓頭差為

因此前蓋板軸向力A1

2)動(dòng)反力A2。液體通常沿軸向進(jìn)入葉輪，沿徑向或斜向流出。液體受到葉輪作用力，使液流通過(guò)葉輪時(shí)方向發(fā)生變化。反之，液體給葉輪一個(gè)大小相等方向相反的反作用力，該力即為動(dòng)反力，指向葉輪后面。由動(dòng)量定理

3)重力G。由于潛液泵為立式布置，因此要考慮轉(zhuǎn)子組件的重量。

4)后蓋板力F。作用在后蓋板的壓力，上部磨損環(huán)以外部分的壓力與前蓋板對(duì)稱作用的壓力相互抵消，因此在計(jì)算后蓋板力時(shí)，只計(jì)算上部磨損環(huán)以內(nèi)的壓力。

為了計(jì)算作用在后蓋板上的力，必須首先假設(shè)后蓋板表面上壓力的變化規(guī)律。假定后蓋板R3～R4部分作用的壓力等于常數(shù)p4，軸承處容腔壓力為p5，后蓋板軸向間隙中的壓力按直線從p4-φΔp2變化到p5。其中φΔp2是軸向間隙進(jìn)口壓力降(由進(jìn)口損失和產(chǎn)生速度頭兩部分形成)，φ是進(jìn)口壓降系數(shù)。

后蓋板力可按兩部分計(jì)算。其一是R3～R4部分的作用力

其二是R4～R5部分的作用力F2，假定后蓋板軸向間隙中的壓力按直線規(guī)律變化，則間隙部分任意半徑R處的壓差δp，由比例關(guān)系

因此后蓋板力為

2.2 阻力系數(shù)

1)徑向間隙阻力系數(shù)

2)軸向間隙進(jìn)口阻力系數(shù)。軸向間隙進(jìn)口壓降可以認(rèn)為由形成進(jìn)口速度的壓降和液流突然收縮引起的不可回收的損失兩部分組成

3)軸向間隙阻力系數(shù)

2.3 泄漏量

通過(guò)徑向間隙的泄漏量為

通過(guò)軸向間隙的泄漏量為

通過(guò)軸向間隙和徑向間隙的泄漏量相等，通常先確定軸向尺寸，再根據(jù)上面兩個(gè)公式確定徑向間隙長(zhǎng)度。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 推力平衡機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

以某一型號(hào)LNG潛液泵為例，已知：流量Q=425 m3/h，揚(yáng)程H=165 m，轉(zhuǎn)速n=3 580 r/min，水力效率ηh=0.87，容積效率ηv=0.92，介質(zhì)為L(zhǎng)NG，ρ=500 kg/m3，單級(jí)葉輪，輪轂半徑Rh=25 mm，葉輪進(jìn)口磨損環(huán)半徑Rm=100 mm，葉輪進(jìn)口半徑R1=80 mm，葉輪出口半徑R2=159 mm。

計(jì)算過(guò)程如下。

1)前蓋板力。葉輪旋轉(zhuǎn)角速度ω=374.7 rad/s；理論揚(yáng)程Ht=189.7 m；勢(shì)揚(yáng)程Hp=140.1 m；初步選擇上部磨損環(huán)半徑R3=128 mm；則前蓋板力A1=11 640 N，方向豎直向上。

2)動(dòng)反力。葉輪出口軸面速度與軸線方向垂直，ε=90°；動(dòng)反力A2=453 N，方向豎直向上。

3)重力。轉(zhuǎn)子組件重量約2 300 N，方向豎直向下。

4)后蓋板力。后蓋板力和前面3個(gè)力平衡，計(jì)算得到F=9 793 N，方向豎直向下；

6)泄漏量。泄漏量q=1.53 L/s；選擇圓角系數(shù)η=0.4，徑向間隙b1=0.2 mm，通過(guò)泄漏量相等公式計(jì)算得到徑向間隙長(zhǎng)度L1=97 mm。

相對(duì)泄漏量q/Q=1.3%<5%，滿足要求。

上述計(jì)算表明,壓降系數(shù)φ值、靈敏度k值、相對(duì)泄漏量均滿足要求，因此推力平衡機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)合理。

3.2 推力平衡機(jī)構(gòu)尺寸對(duì)泄漏量影響

推力平衡機(jī)構(gòu)對(duì)泄漏量有影響的尺寸參數(shù)主要有平衡腔外徑D3、平衡腔內(nèi)徑D4，徑向間隙長(zhǎng)度L1，軸向間隙長(zhǎng)度L2，徑向間隙b1，軸向間隙b2。其中，徑向間隙b1和軸向間隙b2通常根據(jù)工藝條件確定，軸向間隙長(zhǎng)度L2根據(jù)平衡腔內(nèi)徑和壓降系數(shù)確定，徑向間隙長(zhǎng)度L1根據(jù)泄漏量相等公式得到，因此平衡腔外徑D3和內(nèi)徑D4是影響泄漏量的關(guān)鍵參數(shù)。下面通過(guò)計(jì)算說(shuō)明平衡腔外徑和內(nèi)徑對(duì)泄漏量的影響。

1)平衡腔內(nèi)徑對(duì)泄漏量的影響。保持R3=128 mm，L2=15 mm，更改R4尺寸，計(jì)算得到軸向間隙壓差Δp2和泄漏量，見(jiàn)圖3。

由圖3可見(jiàn)，軸向間隙壓差和泄漏量均隨R4的增大而變大。當(dāng)平衡腔內(nèi)徑增大時(shí)，前蓋板力不變，平衡腔的面積變小，因此平衡腔的壓力變大，軸向間隙壓差變大，泄漏量變大。

2)平衡腔外徑對(duì)泄漏量影響。保持R4=75 mm，L2=15 mm，更改R3尺寸，計(jì)算得到軸向間隙壓差Δp2和泄漏量，見(jiàn)圖4。

由圖4可見(jiàn)，軸向間隙壓差和泄漏量均隨R3的增大而變大。當(dāng)平衡腔外徑增大時(shí)，前蓋板力變大，平衡腔的面積也變大，但外徑尺寸變大對(duì)前蓋板力的影響更大，因此平衡腔的壓力變大，軸向間隙壓差變大，泄漏量變大。

在設(shè)計(jì)推力平衡結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)在滿足軸向力平衡的同時(shí)，使泄漏量盡量小，但同時(shí)要考慮潛液泵中的電機(jī)和軸承的冷卻流量需求，防止電機(jī)和軸承的溫升過(guò)高導(dǎo)致LNG氣化，因此泄漏量不能過(guò)小。

4 結(jié)論

1)對(duì)LNG潛液泵的推力平衡機(jī)構(gòu)的原理進(jìn)行了分析，提出了Ⅰ型推力平衡機(jī)構(gòu)的計(jì)算方法，對(duì)推力平衡機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)有一定指導(dǎo)意義。

2)設(shè)計(jì)了Ⅰ型泵的推力平衡機(jī)構(gòu)，經(jīng)校核，壓降系數(shù)、靈敏度和相對(duì)泄漏量均滿足要求。

3)研究了推力平衡機(jī)構(gòu)尺寸對(duì)泄漏量的影響。結(jié)果表明，當(dāng)推力平衡機(jī)構(gòu)的平衡腔的內(nèi)徑或外徑增大時(shí)，軸向間隙壓差和泄漏量增大。

4)在設(shè)計(jì)推力平衡機(jī)構(gòu)時(shí)，應(yīng)同時(shí)滿足軸向力平衡和電機(jī)、軸承冷卻流量需求，泄漏量盡量小。

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(武漢船用機(jī)械有限責(zé)任公司，武漢 430084)

Design of Thrust Equalizing Mechanism for LNG Submerged Pump

LV Cheng-hui, XIAO Zhi-yuan, GAN Zheng-lin

(Wuhan Marine Machinery Plant Co., Ltd, Wuhan 430084, China)

To solve the problem of axial force in LNG submerged pumps, the working principle of thrust equalizing mechanism (TEM) for the LNG submerged pump was analyzed, and a method of calculating key dimensions of TEM was put forward. One type of TEM was designed. The influence of TEM’s dimensions on leakage was studied. It was shown that when the inner diameter or the outer diameter of the equalizing chamber increases, the leakage increases.

LNG; submerged pump; thrust equalizing mechanism (TEM); axial force; leakage

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.01.011

2016-07-14

國(guó)家發(fā)改委項(xiàng)目(發(fā)改委高技[2015]1409號(hào))

呂程輝(1990—)，男，碩士，助理工程師研究方向:低溫泵

U664.5

A

1671-7953(2017)01-0045-04

修回日期：2016-08-24