LNG低溫潛液泵誘導(dǎo)輪水力設(shè)計及數(shù)值模擬

邰曉亮，陳杰，蓋小剛

（中海石油氣電集團技術(shù)研發(fā)中心，北京 100027）

LNG低溫潛液泵誘導(dǎo)輪水力設(shè)計及數(shù)值模擬

邰曉亮*，陳杰，蓋小剛

（中海石油氣電集團技術(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，通常需要加裝誘導(dǎo)輪來提高該類型泵第一級葉輪的進口壓力，提高其抗汽蝕性能。本文基于二元流動理論進行了LNG潛液泵誘導(dǎo)輪的水力設(shè)計，在誘導(dǎo)輪葉片進口邊采用后掠修圓，改善了最容易發(fā)生汽蝕的外緣進口處的抗汽蝕條件。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空化模型對設(shè)計誘導(dǎo)輪內(nèi)流場進行了數(shù)值模擬，模擬結(jié)果顯示誘導(dǎo)輪內(nèi)發(fā)生嚴重空化時空泡主要分布在葉輪輪緣處，空化的發(fā)生不會大面積堵塞流道，保證了誘導(dǎo)輪的增壓性能，驗證了誘導(dǎo)輪水力設(shè)計方法的可行性及其優(yōu)點。

LNG泵；誘導(dǎo)輪；空化；水力設(shè)計；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)濟效益高等眾多優(yōu)點，近年來已經(jīng)成為我國能源領(lǐng)域迅猛發(fā)展的新興產(chǎn)業(yè)[1-2]。大量LNG接收站、LNG儲備站和LNG液化工廠的建立，成為我國調(diào)節(jié)能源結(jié)構(gòu)的重要舉措。LNG潛液泵是大型LNG儲罐和LNG船上不可缺少的設(shè)備，其主要作用是對LNG介質(zhì)進行增壓輸送。

低溫泵運行時泵內(nèi)容易發(fā)生空化，影響泵的正常運行[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，因此對過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)輪改善葉輪進口來流，提高其抗汽蝕性能。關(guān)于誘導(dǎo)輪內(nèi)的流動特性和結(jié)構(gòu)設(shè)計，研究者們開展了大量的研究。潘中永等[4]對誘導(dǎo)輪流量系數(shù)和揚程進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)計步驟。孔繁余等[5]基于誘導(dǎo)輪水力計算方法，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)輪入口無汽蝕、出口揚程滿足離心葉輪進口能量要求為計算依據(jù)，推導(dǎo)了誘導(dǎo)輪基本結(jié)構(gòu)參數(shù)的計算方法。王小波等[7]采用數(shù)值模擬方法分別計算了誘導(dǎo)輪內(nèi)部液氫和水的空化流動，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，獲得了離心泵揚程下降規(guī)律，驗證了誘導(dǎo)輪可以改善泵空化性能，能夠抑制空泡在主葉輪內(nèi)的擴散，而主葉輪的揚程并未明顯下降。CAMPOSE-AMEZCUA等[9]基于商業(yè)CFD軟件研究了一個雙葉片誘導(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]對等螺距誘導(dǎo)輪內(nèi)部的流動進行了三維紊流數(shù)值計算和分析，獲得了誘導(dǎo)輪流道內(nèi)的速度場、壓力場的分布規(guī)律。王文廷等[11]研究了誘導(dǎo)輪與離心輪的匹配性，通過對不同誘導(dǎo)輪、離心輪方案及不同相對位置流場進行了仿真計算，得出了誘導(dǎo)輪與離心輪匹配的設(shè)計方案。李嘉等[12]對一體式誘導(dǎo)輪與離心泵進行了汽蝕特性進行了數(shù)值計算，并通過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于長短葉片型誘導(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LNG潛液泵內(nèi)介質(zhì)易于空化的特點，基于二元流動理論進行了LNG泵誘導(dǎo)輪的水力設(shè)計，并采用數(shù)值模擬方法分析設(shè)計誘導(dǎo)輪內(nèi)部的空化特征，驗證設(shè)計結(jié)果。

1 誘導(dǎo)輪的水力設(shè)計方法

基于二元流動理論進行誘導(dǎo)輪水力設(shè)計。假定軸面運動為有勢流動，即Ωu= 0的二元流動。設(shè)計工況為：轉(zhuǎn)速n= 2,900 r/min，流量Q0= 430 m3/h，揚程H= 9 m。

主要設(shè)計步驟為：首先采用經(jīng)驗公式計算得到誘導(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算流網(wǎng)并應(yīng)用準正交線法完成軸面流場計算；按軸面流線分布計算過流斷面線分布，并檢驗誘導(dǎo)輪過流斷面面積分布是否合理；通過迭代不斷調(diào)整軸面流道輪廓以滿足設(shè)計要求；使用逐點積分法進行葉片骨線繪形，并在軸面流線方向上進行葉片加厚處理；最后利用Bezier曲線對葉片頭部進行修整以完成設(shè)計，其程序流程圖如圖1所示。

圖1 誘導(dǎo)輪設(shè)計流程圖

1.1 確定軸面流道輪廓

根據(jù)誘導(dǎo)輪結(jié)果經(jīng)驗公式，計算得到主要軸面結(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：北京市朝陽區(qū)太陽宮南街6號院C座903，郵編：100028。聯(lián)系電話：010-84526016。E-mail：taixl@cnooc.com.cn。

中國海洋石油總公司科技項目“大型LNG儲罐內(nèi)潛液泵國產(chǎn)化聯(lián)合研制”（No. CNOOC-KJ 125 ZDXM 14 QD010 QD2013）。