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(zhì)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(yùn)行的關(guān)鍵。由于低溫介質(zhì)受熱易汽化及冷卻液流經(jīng)過屏蔽套間隙壓力損失嚴(yán)重，很可能在冷卻循環(huán)流道內(nèi)介質(zhì)發(fā)生汽化而堵塞流道；低溫屏蔽泵轉(zhuǎn)動(dòng)零部件處于低溫、高壓環(huán)境中，承受著熱負(fù)荷和壓力負(fù)荷的綜合作用。分析低溫屏蔽泵整個(gè)流道內(nèi)液流的溫度和壓力變化情況，研究轉(zhuǎn)子部件的溫度場(chǎng)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

2、和變形，對(duì)提高低溫屏蔽泵可靠性和結(jié)構(gòu)優(yōu)化等具有重要意義。
　　 本文參照國(guó)外輸送易汽化介質(zhì)的低溫屏蔽泵結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一臺(tái)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(dǎo)輪的設(shè)計(jì)及軸向力自動(dòng)平衡裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算。首次對(duì)包括循環(huán)回路和軸承間隙在內(nèi)的全流場(chǎng)進(jìn)行流熱耦合計(jì)算，分析其汽蝕性能；同時(shí)，采用單向流-熱-結(jié)構(gòu)耦合場(chǎng)分析方法，對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)部件的溫度場(chǎng)、應(yīng)力分布和變形進(jìn)行了研究。主要研究?jī)?nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)有：
　　 (1)根據(jù)低溫屏

3、蔽泵的技術(shù)參數(shù)和使用情況，參照國(guó)外同類型泵結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)增壓外循環(huán)型低溫屏蔽泵，包括誘導(dǎo)輪、主葉輪、循環(huán)葉輪的設(shè)計(jì)計(jì)算。
　　 (2)設(shè)計(jì)軸向力自動(dòng)平衡機(jī)構(gòu)，結(jié)合屏蔽電機(jī)冷卻潤(rùn)滑循環(huán)回路的設(shè)計(jì)，計(jì)算液流流經(jīng)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(shè)計(jì)工況點(diǎn)的軸向力和冷卻循環(huán)流量。確定屏蔽電機(jī)的渦流損耗、轉(zhuǎn)子與液體的摩擦損耗等電機(jī)損耗發(fā)熱，結(jié)合LNG溫升限制的要求，計(jì)算確定最小冷卻循環(huán)流量，并以此調(diào)整引液孔直徑

4、、口環(huán)半徑等結(jié)構(gòu)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(duì)低溫介質(zhì)性能參數(shù)的影響，對(duì)包括葉輪前后泵腔、平衡間隙和冷卻循環(huán)回路在內(nèi)的低溫屏蔽泵全流場(chǎng)進(jìn)行流熱耦合數(shù)值計(jì)算。分析不同工況下誘導(dǎo)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(guān)系，同時(shí)得到溫升最大區(qū)域屏蔽套間隙內(nèi)介質(zhì)的溫度、壓力分布以及冷卻液流和電機(jī)之間的對(duì)流換熱信息。結(jié)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(zhì)的要求，整個(gè)流道內(nèi)不會(huì)發(fā)生汽化現(xiàn)象。
　　 (4)在全流場(chǎng)流熱耦合計(jì)算得到流場(chǎng)壓力和流場(chǎng)溫度結(jié)果的基礎(chǔ)上，利用間接耦合計(jì)算方法，將壓力和溫度載荷傳遞到轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的表面上，進(jìn)行誘導(dǎo)輪、主葉輪和循環(huán)葉輪結(jié)構(gòu)的流-熱-結(jié)構(gòu)耦合場(chǎng)有限元分析，得到不同工況下誘導(dǎo)輪、主葉輪和循環(huán)葉輪在溫度和壓力載荷下的應(yīng)力分布和變形。結(jié)果表明：適當(dāng)加大軸孔和軸的配合間隙，可避免在輪轂上產(chǎn)生較大的干擾應(yīng)力，在計(jì)算的各個(gè)工況下