高溫高壓流程泵的壓力脈動及流-固-熱多物理場耦合研究.pdf

1、石油化工流程泵在石化生產流程中應用最廣泛，是石油化工生產的關鍵設備。由于運行工況惡劣，對設備的要求比較高。高溫高壓流程泵又是生產裝置中的核心設備，由于存在高溫和高壓的雙重作用，對泵的可靠性提出了更高的要求。
　　 高溫高壓流程泵輸送高溫高壓液體，其內部流動比較復雜。由于動靜干涉的作用而產生的壓力脈動會引起泵過流部件的振動，影響其穩(wěn)定性;復雜的內部流動與泵的過流部件之間存在著相互作用，包括熱量的傳遞與水力激勵作用;熱量的傳遞既會影

2、響泵的過流部件的溫度分布，又會產生熱載荷;系統(tǒng)高壓、水力激勵與高的熱載荷的共同作用將使結構發(fā)生變形并產生較大的應力。
　　 本文研究就是依托10萬噸/年硝酸生產裝置中鍋爐循環(huán)泵，泵輸送是250℃高溫水，入口壓力高達4.1MPa。對高溫高流程泵的內部流場的壓力脈動進行了研究，同時對其全流場和葉輪、泵蓋、泵體的溫度場及結構場實現(xiàn)單向耦合計算，得出耦合作用下葉輪、泵蓋和泵體的溫度分布及應力應變情況。主要工作及研究成果有:
　　

3、 (1)對流程泵進行了定常全流場模擬計算，以此結果作為非定常流場和流、固、熱耦合計算的初始條件。結果表明:大流量工況的流線的穩(wěn)定性要優(yōu)于小流量工況，雙蝸殼結構流道使葉輪流道及蝸殼螺旋線區(qū)域內的流體相對速度分布接近對稱，從而會很好的平衡徑向力;在整個流場內，流體溫度分布比較均勻，但在流固耦合面附近有著明顯的溫度梯度，這種溫度梯度隨著流量的增加變得明顯;泵的性能滿足生產工藝要求，泵效率達到80.14％;數(shù)值模擬性能預測與泵試驗性能進行了對比

4、，設計點附近，揚程的相對誤差不超過1.5％，效率的相對誤差不超過7％，驗證了數(shù)值模擬的可靠性與準確性。
　　 (2)對流程泵內部流場進行了非定常數(shù)值模擬，結果表明:葉輪和蝸殼的內部流場隨著葉輪的旋轉呈現(xiàn)交替性、周期性變化，非定常特性很明顯，瞬時揚程是按周期波動的，壓力波形具有明顯的周期性;壓力脈動主要是由旋轉的轉子與靜止的定子間的動靜干擾作用引起的，各工況下壓力脈動頻率均以葉片通過頻率為主，且隨著流量增大，主頻幅值增大，脈動能量

5、主要集中在低頻區(qū)。
　　 (3)利用Ansysworkbench平臺進行了流場-溫度場-結構場的單向耦合計算，對葉輪、泵蓋和泵體進行了熱分析及靜應力分析，結果表明:對于整個葉輪而言，葉片溫度最高，輪轂最外端的內側溫度最低:葉輪熱流密度分布得很均勻，輪轂外端的內側有較高的值。葉片與后蓋板的交匯處有應力集中區(qū)域，因此葉片與蓋板的交匯處最容易疲勞斷裂，在泵運行時，由熱載荷引起的葉輪總變形對葉輪變形起主導作用;由流體壓力，重力及離心慣性