液化天然氣潛液泵空化性能及壓力脈動特性研究

液化天然氣潛液泵空化性能及壓力脈動特性研究液化天然氣(LNG,即LiquefiedNaturalGas)是一種清潔能源,以每年15%以上的需求增長率成為我國能源領域一個迅猛發(fā)展的新興產(chǎn)業(yè)。作為LNG產(chǎn)業(yè)鏈中的核心動力輸送裝備—LNG潛液泵,其性能好壞不僅影響泵的性能和使用壽命,而且影響LNG產(chǎn)業(yè)的安全性、經(jīng)濟性。由于LNG潛液泵的核心技術被國外壟斷,我國尚未擁有自主產(chǎn)權的相關LNG潛液泵產(chǎn)品。因此,開展高效LNG潛液泵關鍵設計技術研究,獲得滿足性能要求的葉輪設計參數(shù)和誘導輪結(jié)構優(yōu)化參數(shù),掌握空化特性和空化工況下的壓力脈動特性,對我國天然氣資源的有效利用和能源危機的緩解具有十分重要的意義。本文在省六大人才高峰(B類)項目“萬噸級深海浮式LNG潛液泵水力設計關鍵技術研究與應用”的資助下以LNG潛液泵為研究對象,根據(jù)設計要求設計了具有良好性能的LNG潛液泵模型,基于CFD分析技術,研究了LNG潛液泵能量性能、內(nèi)部流場、空化性能以及空化激勵下的壓力脈動特性,為LNG潛液泵的優(yōu)化設計和空化激勵特性的研究奠定了理論基礎。本文的主要工作和創(chuàng)新性成果有:(1)LNG潛液泵主要過流部件包括葉輪、導葉和誘導輪等,本文分析并總結(jié)了這些主要過流部件的設計計算方法。采用速度系數(shù)法對葉輪進行了參數(shù)計算,為使誘導輪入口流動狀態(tài)和幾何參數(shù)形成最優(yōu)配合,基于Brumfield準則獲得與之相對應的相關參數(shù),借鑒徑向?qū)~的設計方法確定導葉的幾何參數(shù)。在參數(shù)計算的基礎上,完成主要過流部件的三維建模。(2)通過數(shù)值模擬預測LNG潛液泵的能量性能,獲得不同流量工況下全流場壓力分布、葉輪和誘導輪內(nèi)的速度場和壓力場分布,研究了葉輪進口直徑對LNG潛液泵能量性能的影響。研究結(jié)果表明,LNG潛液泵流量-揚程曲線在小流量范圍內(nèi)平穩(wěn)下降,大流量工況下呈現(xiàn)出陡降趨勢,效率的最優(yōu)工況點偏向大流量工況,高效區(qū)范圍寬,滿足能量性能要求。小流量工況下,LNG潛液泵內(nèi)部流道存在明顯流動分離現(xiàn)象,是能量性能在迅速下降的原因之一。隨著葉輪進口直徑增加,泵揚程和效率增量均小于3%,說明進口直徑對于能量性能有積極影響但并不顯著。(3)對LNG潛液泵在不同汽蝕余量下的空化性能進行了定常、非定常數(shù)值模擬,研究了葉輪進口直徑對LNG潛液泵空化性能的影響,獲得了LNG潛液泵內(nèi)空化空泡隨時間的演化過程。研究結(jié)果表明,LNG潛液泵臨界汽蝕余量NPSH_c=4.92m,符合設計要求。空泡在誘導輪內(nèi)首先出現(xiàn)在進口前緣處,而在葉輪內(nèi)首先發(fā)生于葉片進口端吸力面處,空化嚴重區(qū)域位于葉輪前蓋板附近。隨著葉輪進口直徑的增加,葉輪空化性能經(jīng)歷了非單一升降的變化過程,葉輪進口直徑對空化性能的影響可能存在一個最佳取值。(4)研究了不同流量、不同汽蝕余量下LNG潛液泵誘導輪、葉輪及導葉內(nèi)壓力脈動的波形、幅值及頻率的變化規(guī)律,量化分析了空化加劇過程對LNG潛液泵內(nèi)低頻脈動的影響,揭示了空化工況下LNG潛液泵內(nèi)部壓力脈動特征。研究結(jié)果表明,隨著流量的增大,各水力部件內(nèi)的壓力脈動周期性變強,幅值減小。隨著汽蝕余量的降低,各過流部件內(nèi)壓力脈動頻域出現(xiàn)低頻信號,且低頻信號幅值不斷增加?？栈瘜Τ跫壢~輪內(nèi)壓力脈動的影響大于次級葉輪。當發(fā)生臨界空化時,誘導輪及初級葉輪內(nèi)壓力脈動的低頻信號幅值增加且超過葉頻,成為主要頻率。隨著汽蝕余量的減小,兩級葉輪徑向力的值均呈先減小后增大的趨勢,且兩級葉輪中徑向力的最大值以及最大