LNG低溫潛液泵誘導(dǎo)輪水力設(shè)計(jì)及數(shù)值模擬

邰曉亮，陳杰，蓋小剛

（中海石油氣電集團(tuán)技術(shù)研發(fā)中心，北京 100027）

LNG低溫潛液泵誘導(dǎo)輪水力設(shè)計(jì)及數(shù)值模擬

邰曉亮*，陳杰，蓋小剛

（中海石油氣電集團(tuán)技術(shù)研發(fā)中心，北京 100027）

低溫潛液泵輸送介質(zhì)為液化天然氣時(shí)，通常需要加裝誘導(dǎo)輪來(lái)提高該類型泵第一級(jí)葉輪的進(jìn)口壓力，提高其抗汽蝕性能。本文基于二元流動(dòng)理論進(jìn)行了LNG潛液泵誘導(dǎo)輪的水力設(shè)計(jì)，在誘導(dǎo)輪葉片進(jìn)口邊采用后掠修圓，改善了最容易發(fā)生汽蝕的外緣進(jìn)口處的抗汽蝕條件。選用RNGκ-ε模型封閉RANS方程，采用SIMPLEC算法、Mixture多相流模型與Schnerr-Sauer空化模型對(duì)設(shè)計(jì)誘導(dǎo)輪內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，模擬結(jié)果顯示誘導(dǎo)輪內(nèi)發(fā)生嚴(yán)重空化時(shí)空泡主要分布在葉輪輪緣處，空化的發(fā)生不會(huì)大面積堵塞流道，保證了誘導(dǎo)輪的增壓性能，驗(yàn)證了誘導(dǎo)輪水力設(shè)計(jì)方法的可行性及其優(yōu)點(diǎn)。

LNG泵；誘導(dǎo)輪；空化；水力設(shè)計(jì)；數(shù)值模擬

0 引言

液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）具有節(jié)能、環(huán)保、安全、可靠和經(jīng)濟(jì)效益高等眾多優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)已經(jīng)成為我國(guó)能源領(lǐng)域迅猛發(fā)展的新興產(chǎn)業(yè)[1-2]。大量LNG接收站、LNG儲(chǔ)備站和LNG液化工廠的建立，成為我國(guó)調(diào)節(jié)能源結(jié)構(gòu)的重要舉措。LNG潛液泵是大型LNG儲(chǔ)罐和LNG船上不可缺少的設(shè)備，其主要作用是對(duì)LNG介質(zhì)進(jìn)行增壓輸送。

低溫泵運(yùn)行時(shí)泵內(nèi)容易發(fā)生空化，影響泵的正常運(yùn)行[3]。LNG潛液泵輸送介質(zhì)為液化天然氣，其溫度為-160 ℃左右，更易導(dǎo)致泵內(nèi)發(fā)生空化現(xiàn)象，因此對(duì)過(guò)流部件有更高的空化性能要求。為此，LNG潛液泵通常需要加裝誘導(dǎo)輪改善葉輪進(jìn)口來(lái)流，提高其抗汽蝕性能。關(guān)于誘導(dǎo)輪內(nèi)的流動(dòng)特性和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，研究者們開展了大量的研究。潘中永等[4]對(duì)誘導(dǎo)輪流量系數(shù)和揚(yáng)程進(jìn)行了理論分析和研究，提出了誘導(dǎo)輪的關(guān)鍵幾何參數(shù)的確定方法及其設(shè)計(jì)步驟?？追庇嗟萚5]基于誘導(dǎo)輪水力計(jì)算方法，分析了變螺距誘導(dǎo)輪的汽蝕性能，研究了誘導(dǎo)輪的螺距變化規(guī)律，給出了變螺距誘導(dǎo)輪應(yīng)用實(shí)例。孫建等[6]從分析變螺距誘導(dǎo)輪變化規(guī)律入手，以誘導(dǎo)輪入口無(wú)汽蝕、出口揚(yáng)程滿足離心葉輪進(jìn)口能量要求為計(jì)算依據(jù)，推導(dǎo)了誘導(dǎo)輪基本結(jié)構(gòu)參數(shù)的計(jì)算方法。王小波等[7]采用數(shù)值模擬方法分別計(jì)算了誘導(dǎo)輪內(nèi)部液氫和水的空化流動(dòng)，得到了誘導(dǎo)輪內(nèi)部的空化特性，分析了介質(zhì)熱力學(xué)效應(yīng)對(duì)誘導(dǎo)輪空化性能的影響。李曉俊等[8]研究了帶誘導(dǎo)輪的離心泵空化流動(dòng)，獲得了離心泵揚(yáng)程下降規(guī)律，驗(yàn)證了誘導(dǎo)輪可以改善泵空化性能，能夠抑制空泡在主葉輪內(nèi)的擴(kuò)散，而主葉輪的揚(yáng)程并未明顯下降。CAMPOSE-AMEZCUA等[9]基于商業(yè)CFD軟件研究了一個(gè)雙葉片誘導(dǎo)輪內(nèi)部的空化現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)了空化初生的位置以及空化在葉片通道內(nèi)交替出現(xiàn)的現(xiàn)象。崔寶玲等[10]對(duì)等螺距誘導(dǎo)輪內(nèi)部的流動(dòng)進(jìn)行了三維紊流數(shù)值計(jì)算和分析，獲得了誘導(dǎo)輪流道內(nèi)的速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)的分布規(guī)律。王文廷等[11]研究了誘導(dǎo)輪與離心輪的匹配性，通過(guò)對(duì)不同誘導(dǎo)輪、離心輪方案及不同相對(duì)位置流場(chǎng)進(jìn)行了仿真計(jì)算，得出了誘導(dǎo)輪與離心輪匹配的設(shè)計(jì)方案。李嘉等[12]對(duì)一體式誘導(dǎo)輪與離心泵進(jìn)行了汽蝕特性進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，并通過(guò)CFD軟件Pumplinx研究了最差汽蝕工況下的汽蝕特性。GUO等[13]基于CFX軟件研究了短葉片位置分布對(duì)于長(zhǎng)短葉片型誘導(dǎo)輪抗汽蝕性能的影響規(guī)律，并得出了一組具有較好抗汽蝕性能的誘導(dǎo)輪。

本文針對(duì)LNG潛液泵內(nèi)介質(zhì)易于空化的特點(diǎn)，基于二元流動(dòng)理論進(jìn)行了LNG泵誘導(dǎo)輪的水力設(shè)計(jì)，并采用數(shù)值模擬方法分析設(shè)計(jì)誘導(dǎo)輪內(nèi)部的空化特征，驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果。

1 誘導(dǎo)輪的水力設(shè)計(jì)方法

基于二元流動(dòng)理論進(jìn)行誘導(dǎo)輪水力設(shè)計(jì)。假定軸面運(yùn)動(dòng)為有勢(shì)流動(dòng)，即Ωu= 0的二元流動(dòng)。設(shè)計(jì)工況為：轉(zhuǎn)速n= 2,900 r/min，流量Q0= 430 m3/h，揚(yáng)程H= 9 m。

主要設(shè)計(jì)步驟為：首先采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到誘導(dǎo)輪主要結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)以生成初始軸面流道輪廓；依此輪廓繪制軸面計(jì)算流網(wǎng)并應(yīng)用準(zhǔn)正交線法完成軸面流場(chǎng)計(jì)算；按軸面流線分布計(jì)算過(guò)流斷面線分布，并檢驗(yàn)誘導(dǎo)輪過(guò)流斷面面積分布是否合理；通過(guò)迭代不斷調(diào)整軸面流道輪廓以滿足設(shè)計(jì)要求；使用逐點(diǎn)積分法進(jìn)行葉片骨線繪形，并在軸面流線方向上進(jìn)行葉片加厚處理；最后利用Bezier曲線對(duì)葉片頭部進(jìn)行修整以完成設(shè)計(jì)，其程序流程圖如圖1所示。

圖1 誘導(dǎo)輪設(shè)計(jì)流程圖

1.1 確定軸面流道輪廓

根據(jù)誘導(dǎo)輪結(jié)果經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算得到主要軸面結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)并生成初始軸面流道輪廓，如圖2所示。圖中Dh表示輪轂處直徑，Dt表示葉尖處直徑。葉片進(jìn)口邊為圖中斜線位置處。

Hydraulic Design and Numerical Simulation of an Inducer of the LNG Cryogenic Submerged Pump

TAI Xiao-liang*, Chen Jie, Gai Xiao-gang
(Research & Development Department of CNOOC Gas & Power Group, Beijing 100027, China)

When the cryogenic submerged pump is used to transport liquefied natural gas, it is usually necessary to install an inducer in front of the first stage impeller of the LNG pump to enhance the anti-cavitation performance of this kind of equipment. In this paper, the hydraulic design of an inducer for LNG Cryogenic Submerged Pump is carried out based on the Dual flow theory. The sweepback arc fitted method is adopted to treat the leading edge of the inducer in order to improve the cavitation situation at the delicate location. The RNGκ-εturbulance model and RANS method, SIMPLEC algorithm, Mixture multiphase flow model and Schnerr-Sauer cavitation model are adopted for numerical simulation. The simulation results showed that, the vapor mainly distributes close to the shroud even at the condition of heavy cavitation, and the occurrence of this kind of cavitation does not block the flow channel in large area, which ensures the pressurizing performance of the inducer. The simulation result verifies the feasibility and advantage of the hydraulic design method of the inducer.

LNG pump; Inducer; Cavitation; Hydraulic design; Numerical simulation

圖2 誘導(dǎo)輪軸面流道輪廓

2 誘導(dǎo)輪內(nèi)流場(chǎng)數(shù)值模擬方法

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

4 結(jié)論

10.3969/j.issn.2095-4468.2016.06.105

*邰曉亮（1984-），男，工程師，碩士。研究方向：天然氣液化技術(shù)和設(shè)備研制。聯(lián)系地址：北京市朝陽(yáng)區(qū)太陽(yáng)宮南街6號(hào)院C座903，郵編：100028。聯(lián)系電話：010-84526016。E-mail：taixl@cnooc.com.cn。

中國(guó)海洋石油總公司科技項(xiàng)目“大型LNG儲(chǔ)罐內(nèi)潛液泵國(guó)產(chǎn)化聯(lián)合研制”（No. CNOOC-KJ 125 ZDXM 14 QD010 QD2013）。