低溫屏蔽泵的研究.pdf

1、液化天然氣(LNG)、液化石油氣(LPG)、液氮（LN2）等易汽化低溫介質的輸送常用低溫屏蔽泵。解決好低溫屏蔽泵軸向力平衡、汽蝕問題、材料在低溫下的脆性等問題是其可靠運行的關鍵。由于低溫介質受熱易汽化及冷卻液流經過屏蔽套間隙壓力損失嚴重，很可能在冷卻循環(huán)流道內介質發(fā)生汽化而堵塞流道；低溫屏蔽泵轉動零部件處于低溫、高壓環(huán)境中，承受著熱負荷和壓力負荷的綜合作用。分析低溫屏蔽泵整個流道內液流的溫度和壓力變化情況，研究轉子部件的溫度場、結構強度

2、和變形，對提高低溫屏蔽泵可靠性和結構優(yōu)化等具有重要意義。
　　 本文參照國外輸送易汽化介質的低溫屏蔽泵結構，設計了一臺高壓冷卻循環(huán)回路形式的LNG高速屏蔽泵，完成了葉輪和誘導輪的設計及軸向力自動平衡裝置的設計計算。首次對包括循環(huán)回路和軸承間隙在內的全流場進行流熱耦合計算，分析其汽蝕性能；同時，采用單向流-熱-結構耦合場分析方法，對轉動部件的溫度場、應力分布和變形進行了研究。主要研究內容及創(chuàng)新點有：
　　 (1)根據(jù)低溫屏

3、蔽泵的技術參數(shù)和使用情況，參照國外同類型泵結構，設計增壓外循環(huán)型低溫屏蔽泵，包括誘導輪、主葉輪、循環(huán)葉輪的設計計算。
　　 (2)設計軸向力自動平衡機構，結合屏蔽電機冷卻潤滑循環(huán)回路的設計，計算液流流經口環(huán)間隙、引液孔、軸承間隙、屏蔽套間隙等部位的壓降損失，得出泵在設計工況點的軸向力和冷卻循環(huán)流量。確定屏蔽電機的渦流損耗、轉子與液體的摩擦損耗等電機損耗發(fā)熱，結合LNG溫升限制的要求，計算確定最小冷卻循環(huán)流量，并以此調整引液孔直徑

4、、口環(huán)半徑等結構參數(shù)，使屏蔽泵滿足軸向力平衡和溫升限制的要求。
　　 (3)考慮溫度變化對低溫介質性能參數(shù)的影響，對包括葉輪前后泵腔、平衡間隙和冷卻循環(huán)回路在內的低溫屏蔽泵全流場進行流熱耦合數(shù)值計算。分析不同工況下誘導輪葉片表面的壓力分布和空泡體積分布情況；得到軸向力、平衡孔泄流量和冷卻循環(huán)流量的變化與泵流量的關系，同時得到溫升最大區(qū)域屏蔽套間隙內介質的溫度、壓力分布以及冷卻液流和電機之間的對流換熱信息。結果表明，高壓冷卻循環(huán)回

5、路能滿足低溫高速屏蔽泵輸送易汽化介質的要求，整個流道內不會發(fā)生汽化現(xiàn)象。
　　 (4)在全流場流熱耦合計算得到流場壓力和流場溫度結果的基礎上，利用間接耦合計算方法，將壓力和溫度載荷傳遞到轉子結構的表面上，進行誘導輪、主葉輪和循環(huán)葉輪結構的流-熱-結構耦合場有限元分析，得到不同工況下誘導輪、主葉輪和循環(huán)葉輪在溫度和壓力載荷下的應力分布和變形。結果表明：適當加大軸孔和軸的配合間隙，可避免在輪轂上產生較大的干擾應力，在計算的各個工況下