LNG接收站低温罐内潜液泵水力研发设计

张化川

(大连深蓝泵业有限公司, 辽宁 大连 116031)

·低温与制冷·

LNG接收站低温罐内潜液泵水力研发设计

张化川

(大连深蓝泵业有限公司, 辽宁 大连 116031)

低温罐内潜液泵是LNG接收站必不可少的关键设备之一。为浙江宁波LNG接收站用户研发的大型罐内潜液泵， 现场一次开车成功，各项水力性能指标满足设计要求，高汽蚀性能诱导轮及其它主要水力部件运行稳定，可完全替代进口。

低温罐内潜液泵；诱导轮

0 引言

LNG大型罐内潜液泵是LNG接收站关键设备，其效率、汽蚀及振动均有严格的要求，泵的设计及制造水平要求高。目前，全国仅有少数几家泵厂能够设计生产，绝大部分依赖进口。

针对该泵的市场使用情况，大连深蓝泵业有限公司以浙江宁波LNG接收站大型罐内潜液泵为开发研究对象，进行国产化研究，从高汽蚀性能诱导轮、叶轮、轴向导叶等水力研发开始到泵结构设计、样机试制、试验验证，结果表明该泵的国产化取得成功，水力性能满足设计要求。LNG泵参数指标见表1、表2。

研制难点：该泵汽蚀性能要求相当苛刻，已经远远超出普通化工用离心泵汽蚀要求，泵汽蚀比转速C达到5048。

表1 泵设计参数

表2 泵材料

1 水力模型

该泵的主要水力部件包括诱导轮、叶轮、轴向导叶等，其中叶轮水力模型选自深蓝泵业优秀水力模型库，轴向导叶和诱导轮水力进行全新自主研发。其中诱导轮主要采用了变螺距、大包角、入口大后掠角的设计研发方法。并对整机水力模型进行了水介质下CFD分析计算，以校核所研发的水力模型是否能够满足泵设计要求。

1.1 模型建立

对泵水力模型进行简化处理，采用Solidworks软件对泵流体域整机第一级进行三维建模，计算域由进口段、诱导轮、整流段、叶轮、导叶、过渡段、出口段组成，如图1～2所示。该泵水力模型的部分几何参数如表3所示。

表3 水力部件主要几何参数

图1 整机模型

应用ANSYS ICEM软件对各段计算域划分自适应极强的四面体网格，对流道中曲率较大的部位(如叶片前后缘)的网格进行局部加密以捕捉更加细致的流场特征。各段计算域之间采用interface方式耦合以传递数据，因此尽可能保证每一对耦合面的网格尺寸相差不大。最后，网格整体总体数目为574万，以quality指标衡量的网格质量在0.3以上，满足计算要求，网格模型如图3所示。

图2 叶轮及诱导轮模型

图3 整机计算域网格模型

2 流场及汽蚀性能分析

2.1 流场分析

图4 叶轮中间截面静压分布

图5 叶轮中间截面相对速度分布

从图4、5可以看出，叶轮内静压和相对速度变化均匀。叶轮从进口到出口压力梯度均匀变大；叶轮中间截面上的流场内无明显漩涡；叶轮流面上相对速度矢量分布合理，符合流动规律，叶轮水力效率较高。

叶片进口采用正冲角设计[1-3]，液体在叶片进口边背面形成小的局部低压区，有利于提高叶轮本身抗汽蚀性能。

图6 导叶速度矢量分布

图7 导叶静压分布

图8 整机内部流线分布

从图6～8可以看出，导叶内压力变化均匀，速度矢量及流线分布合理，无明显漩涡等不良流动，导叶进口安放角设计合理，与叶轮的匹配良好。

2.2 汽蚀性能分析

为保证整机汽蚀性能满足设计要求，基于ANSYS CFX平台，采用两相流空化模型，分别在不同进口压力下对该泵在设计工况下的空化流场进行了数值计算，分析优化诱导轮及叶轮水力，并对该泵的汽蚀性能进行了分析预测。

图9 诱导轮内部相对速度分布

图10 诱导轮内部气相体积分布

图11 叶轮内气相体积分数

从图9～11可以看出，诱导轮内部相对速度分布均匀，流场较好。当入口总压在19 800 Pa时，空化区域分布在诱导轮叶片入口背面靠近轮缘的位置，空化区域分布较小，叶轮内部未发生明显汽蚀，没有明显堵塞流道。

2.3 汽蚀性能预测

按照工程习惯，在流量Q=430 m3/h不变的情况下,泵扬程下降3%时的试验汽蚀余量定义为泵的汽蚀余量NPSHr[4]。由图12可知，通过CFD计算的额定扬程为337 m，扬程下降3%时对应的临界汽蚀余量NPSHr约为1.17 m，计算结果显示该泵的汽蚀性预计能满足设计参数要求。

图12 泵整机CFD分析空化特性曲线

3 性能预测方法及结果

在CFD数值计算的结果文件中读取相应物理量的计算值，能得到模型泵在不同流量工况下运行时的外特性。其中，设计点的计算值见表4所示。计算方法如下。

3.1 扬程的预测

扬程的预测公式为：

3.2 水力效率ηh的预测

通过对计算数据的处理，可以得到叶轮叶片及前后盖板所受到的绕z轴的合力矩M。可以通过下

式来估算泵的水力效率。

式中，Q为叶轮进口流量，m3/s；H为通过CFD方法预估的扬程，m；M指叶轮所受的绕旋转轴z轴的合力矩，N·m；ω指叶轮旋转的角速度，rad/s。

表4 泵整机设计工况性能预测

4 试验验证

图13 LNG低温试验台性能试验

图14 泵现场吊装使用

水力研发及样机制造完毕后，在大连深蓝泵业深冷试验台(图13)进行了性能测试，该试验台为国内首座深冷低温介质泵试验台，投资约1.2亿，参考GB/T 3216—2005进行建造，试验精度优于1级，试验结果见表5。

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表5 最终试验数据

5 结 论

该泵试验汽蚀余量为1.19 m，效率为71.2，汽蚀比转达到5080，试验结果最终达到设计要求，与CFD水力分析预期一致；同时由于该泵在结构设计上轴承采用了深沟球轴承LNG介质自润滑的方案，轴向力通过应用小半径平衡盘结构完全平衡了轴向力，振动值较低，现场运行稳定。在泵吊装过程中，由于泵井尺寸限制，在泵向下吊装安装到罐内吸入底阀过程中，为防止泵壳体与泵井刮碰，应提前在泵壳体上设计导向机构也是十分必要的。

该泵水力研发的最大难点为汽蚀余量要求极低，在进行该泵诱导轮水力研发的过程中，总结出了LNG大型罐内潜液泵高汽蚀性能诱导轮的一整套设计方法。即在结构允许的情况下，尽可能采用大的变螺距诱导轮设计、大后掠角、轮缘到轮毂处大出口安放角诱导轮的水力设计方法，更有利于提高诱导轮本身的抗汽蚀性能和诱导轮扬程，该泵水力的研发成功对加快LNG接收站大型低温罐内潜液泵的国产化具有重大的作用和现实意义。

[1] 杨军虎,张人会. 一种计算低比转速离心泵加大系数的方法[J]. 机械工程学报, 2005, 41(4): 203-205.

[2] 袁寿其,张玉臻. 低比速泵水力设计原则及优化思想[J].农业机械学报, 1997, 28(2):155-158.

[3] 严敬. 低比转速离心泵—原理、参数优化及绘形[M].成都:四川科学技术出版社, 1998．

[4] 关醒凡.现代泵技术手册[M].北京：中国宇航出版社，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

张化川(1983)，男，工学硕士，流体机械专业，现为大连深蓝泵业有限公司副总工程师，主要从事核电、石化、深冷泵产品相关技术研究。E-mail：mercury9923@126.com