張化川

(大連深藍(lán)泵業(yè)有限公司, 遼寧 大連 116031)

·低溫與制冷·

LNG接收站低溫罐內(nèi)潛液泵水力研發(fā)設(shè)計(jì)

張化川

(大連深藍(lán)泵業(yè)有限公司, 遼寧 大連 116031)

低溫罐內(nèi)潛液泵是LNG接收站必不可少的關(guān)鍵設(shè)備之一。為浙江寧波LNG接收站用戶(hù)研發(fā)的大型罐內(nèi)潛液泵， 現(xiàn)場(chǎng)一次開(kāi)車(chē)成功，各項(xiàng)水力性能指標(biāo)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，高汽蝕性能誘導(dǎo)輪及其它主要水力部件運(yùn)行穩(wěn)定，可完全替代進(jìn)口。

低溫罐內(nèi)潛液泵；誘導(dǎo)輪

0 引言

LNG大型罐內(nèi)潛液泵是LNG接收站關(guān)鍵設(shè)備，其效率、汽蝕及振動(dòng)均有嚴(yán)格的要求，泵的設(shè)計(jì)及制造水平要求高。目前，全國(guó)僅有少數(shù)幾家泵廠(chǎng)能夠設(shè)計(jì)生產(chǎn)，絕大部分依賴(lài)進(jìn)口。

針對(duì)該泵的市場(chǎng)使用情況，大連深藍(lán)泵業(yè)有限公司以浙江寧波LNG接收站大型罐內(nèi)潛液泵為開(kāi)發(fā)研究對(duì)象，進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化研究，從高汽蝕性能誘導(dǎo)輪、葉輪、軸向?qū)~等水力研發(fā)開(kāi)始到泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、樣機(jī)試制、試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明該泵的國(guó)產(chǎn)化取得成功，水力性能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。LNG泵參數(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1、表2。

研制難點(diǎn)：該泵汽蝕性能要求相當(dāng)苛刻，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出普通化工用離心泵汽蝕要求，泵汽蝕比轉(zhuǎn)速C達(dá)到5048。

表1 泵設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 泵材料

1 水力模型

該泵的主要水力部件包括誘導(dǎo)輪、葉輪、軸向?qū)~等，其中葉輪水力模型選自深藍(lán)泵業(yè)優(yōu)秀水力模型庫(kù)，軸向?qū)~和誘導(dǎo)輪水力進(jìn)行全新自主研發(fā)。其中誘導(dǎo)輪主要采用了變螺距、大包角、入口大后掠角的設(shè)計(jì)研發(fā)方法。并對(duì)整機(jī)水力模型進(jìn)行了水介質(zhì)下CFD分析計(jì)算，以校核所研發(fā)的水力模型是否能夠滿(mǎn)足泵設(shè)計(jì)要求。

1.1 模型建立

對(duì)泵水力模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，采用Solidworks軟件對(duì)泵流體域整機(jī)第一級(jí)進(jìn)行三維建模，計(jì)算域由進(jìn)口段、誘導(dǎo)輪、整流段、葉輪、導(dǎo)葉、過(guò)渡段、出口段組成，如圖1～2所示。該泵水力模型的部分幾何參數(shù)如表3所示。

表3 水力部件主要幾何參數(shù)

圖1 整機(jī)模型

應(yīng)用ANSYS ICEM軟件對(duì)各段計(jì)算域劃分自適應(yīng)極強(qiáng)的四面體網(wǎng)格，對(duì)流道中曲率較大的部位(如葉片前后緣)的網(wǎng)格進(jìn)行局部加密以捕捉更加細(xì)致的流場(chǎng)特征。各段計(jì)算域之間采用interface方式耦合以傳遞數(shù)據(jù)，因此盡可能保證每一對(duì)耦合面的網(wǎng)格尺寸相差不大。最后，網(wǎng)格整體總體數(shù)目為574萬(wàn)，以quality指標(biāo)衡量的網(wǎng)格質(zhì)量在0.3以上，滿(mǎn)足計(jì)算要求，網(wǎng)格模型如圖3所示。

圖2 葉輪及誘導(dǎo)輪模型

圖3 整機(jī)計(jì)算域網(wǎng)格模型

2 流場(chǎng)及汽蝕性能分析

2.1 流場(chǎng)分析

圖4 葉輪中間截面靜壓分布

圖5 葉輪中間截面相對(duì)速度分布

從圖4、5可以看出，葉輪內(nèi)靜壓和相對(duì)速度變化均勻。葉輪從進(jìn)口到出口壓力梯度均勻變大；葉輪中間截面上的流場(chǎng)內(nèi)無(wú)明顯漩渦；葉輪流面上相對(duì)速度矢量分布合理，符合流動(dòng)規(guī)律，葉輪水力效率較高。

葉片進(jìn)口采用正沖角設(shè)計(jì)[1-3]，液體在葉片進(jìn)口邊背面形成小的局部低壓區(qū)，有利于提高葉輪本身抗汽蝕性能。

圖6 導(dǎo)葉速度矢量分布

圖7 導(dǎo)葉靜壓分布

圖8 整機(jī)內(nèi)部流線(xiàn)分布

從圖6～8可以看出，導(dǎo)葉內(nèi)壓力變化均勻，速度矢量及流線(xiàn)分布合理，無(wú)明顯漩渦等不良流動(dòng)，導(dǎo)葉進(jìn)口安放角設(shè)計(jì)合理，與葉輪的匹配良好。

2.2 汽蝕性能分析

為保證整機(jī)汽蝕性能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，基于A(yíng)NSYS CFX平臺(tái)，采用兩相流空化模型，分別在不同進(jìn)口壓力下對(duì)該泵在設(shè)計(jì)工況下的空化流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，分析優(yōu)化誘導(dǎo)輪及葉輪水力，并對(duì)該泵的汽蝕性能進(jìn)行了分析預(yù)測(cè)。

圖9 誘導(dǎo)輪內(nèi)部相對(duì)速度分布

圖10 誘導(dǎo)輪內(nèi)部氣相體積分布

圖11 葉輪內(nèi)氣相體積分?jǐn)?shù)

從圖9～11可以看出，誘導(dǎo)輪內(nèi)部相對(duì)速度分布均勻，流場(chǎng)較好。當(dāng)入口總壓在19 800 Pa時(shí)，空化區(qū)域分布在誘導(dǎo)輪葉片入口背面靠近輪緣的位置，空化區(qū)域分布較小，葉輪內(nèi)部未發(fā)生明顯汽蝕，沒(méi)有明顯堵塞流道。

2.3 汽蝕性能預(yù)測(cè)

按照工程習(xí)慣，在流量Q=430 m3/h不變的情況下,泵揚(yáng)程下降3%時(shí)的試驗(yàn)汽蝕余量定義為泵的汽蝕余量NPSHr[4]。由圖12可知，通過(guò)CFD計(jì)算的額定揚(yáng)程為337 m，揚(yáng)程下降3%時(shí)對(duì)應(yīng)的臨界汽蝕余量NPSHr約為1.17 m，計(jì)算結(jié)果顯示該泵的汽蝕性預(yù)計(jì)能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)參數(shù)要求。

圖12 泵整機(jī)CFD分析空化特性曲線(xiàn)

3 性能預(yù)測(cè)方法及結(jié)果

在CFD數(shù)值計(jì)算的結(jié)果文件中讀取相應(yīng)物理量的計(jì)算值，能得到模型泵在不同流量工況下運(yùn)行時(shí)的外特性。其中，設(shè)計(jì)點(diǎn)的計(jì)算值見(jiàn)表4所示。計(jì)算方法如下。

3.1 揚(yáng)程的預(yù)測(cè)

揚(yáng)程的預(yù)測(cè)公式為：

3.2 水力效率ηh的預(yù)測(cè)

通過(guò)對(duì)計(jì)算數(shù)據(jù)的處理，可以得到葉輪葉片及前后蓋板所受到的繞z軸的合力矩M。可以通過(guò)下

式來(lái)估算泵的水力效率。

式中，Q為葉輪進(jìn)口流量，m3/s；H為通過(guò)CFD方法預(yù)估的揚(yáng)程，m；M指葉輪所受的繞旋轉(zhuǎn)軸z軸的合力矩，N·m；ω指葉輪旋轉(zhuǎn)的角速度，rad/s。

表4 泵整機(jī)設(shè)計(jì)工況性能預(yù)測(cè)

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

圖13 LNG低溫試驗(yàn)臺(tái)性能試驗(yàn)

圖14 泵現(xiàn)場(chǎng)吊裝使用

水力研發(fā)及樣機(jī)制造完畢后，在大連深藍(lán)泵業(yè)深冷試驗(yàn)臺(tái)(圖13)進(jìn)行了性能測(cè)試，該試驗(yàn)臺(tái)為國(guó)內(nèi)首座深冷低溫介質(zhì)泵試驗(yàn)臺(tái)，投資約1.2億，參考GB/T 3216—2005進(jìn)行建造，試驗(yàn)精度優(yōu)于1級(jí)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

【】【】

表5 最終試驗(yàn)數(shù)據(jù)

5 結(jié) 論

該泵試驗(yàn)汽蝕余量為1.19 m，效率為71.2，汽蝕比轉(zhuǎn)達(dá)到5080，試驗(yàn)結(jié)果最終達(dá)到設(shè)計(jì)要求，與CFD水力分析預(yù)期一致；同時(shí)由于該泵在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上軸承采用了深溝球軸承LNG介質(zhì)自潤(rùn)滑的方案，軸向力通過(guò)應(yīng)用小半徑平衡盤(pán)結(jié)構(gòu)完全平衡了軸向力，振動(dòng)值較低，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行穩(wěn)定。在泵吊裝過(guò)程中，由于泵井尺寸限制，在泵向下吊裝安裝到罐內(nèi)吸入底閥過(guò)程中，為防止泵殼體與泵井刮碰，應(yīng)提前在泵殼體上設(shè)計(jì)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)也是十分必要的。

該泵水力研發(fā)的最大難點(diǎn)為汽蝕余量要求極低，在進(jìn)行該泵誘導(dǎo)輪水力研發(fā)的過(guò)程中，總結(jié)出了LNG大型罐內(nèi)潛液泵高汽蝕性能誘導(dǎo)輪的一整套設(shè)計(jì)方法。即在結(jié)構(gòu)允許的情況下，盡可能采用大的變螺距誘導(dǎo)輪設(shè)計(jì)、大后掠角、輪緣到輪轂處大出口安放角誘導(dǎo)輪的水力設(shè)計(jì)方法，更有利于提高誘導(dǎo)輪本身的抗汽蝕性能和誘導(dǎo)輪揚(yáng)程，該泵水力的研發(fā)成功對(duì)加快LNG接收站大型低溫罐內(nèi)潛液泵的國(guó)產(chǎn)化具有重大的作用和現(xiàn)實(shí)意義。

[1] 楊軍虎,張人會(huì). 一種計(jì)算低比轉(zhuǎn)速離心泵加大系數(shù)的方法[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2005, 41(4): 203-205.

[2] 袁壽其,張玉臻. 低比速泵水力設(shè)計(jì)原則及優(yōu)化思想[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 1997, 28(2):155-158.

[3] 嚴(yán)敬. 低比轉(zhuǎn)速離心泵—原理、參數(shù)優(yōu)化及繪形[M].成都:四川科學(xué)技術(shù)出版社, 1998．

[4] 關(guān)醒凡.現(xiàn)代泵技術(shù)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)宇航出版社，1995.

The Hydro Development of Cryogenic in Tank Submerged Pumpfor LNG Receiving Station

ZHANG Huachuan

(Dalian Deepblue Pump Co.,Ltd， Dalian 116031, China)

The cryogenic in tank submerged pump is one of the key equipment in LNG receiving station, the pump was developed for LNG receiving station customer in Ningbo city, Zhejiang province, which ran successfully in the first on-site test. All hydraulic parameters meeting the designing requirements, high cavitation inducer and other main hydraulic components of this pump performed excellent and stable operation, which could completed replace the imported products.

the cryogenic in tank submerged pump；inducer

2016-12-30

TH311

A

1007-7804(2017)01-0007-04

10.3969/j.issn.1007-7804.2017.01.003

張化川(1983)，男，工學(xué)碩士，流體機(jī)械專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)為大連深藍(lán)泵業(yè)有限公司副總工程師，主要從事核電、石化、深冷泵產(chǎn)品相關(guān)技術(shù)研究。E-mail：mercury9923@126.com