LNG潛液泵推力平衡機構的設計

呂程輝，肖志遠，甘正林

LNG潛液泵推力平衡機構的設計

呂程輝，肖志遠，甘正林

針對LNG潛液泵軸向力平衡問題，分析推力平衡機構的工作原理，提出一種推力平衡機構關鍵尺寸的計算方法，并根據該計算方法設計Ⅰ型泵的推力平衡機構，分析得到推力平衡機構尺寸與泄漏量的關系，結果表明，推力平衡機構的平衡腔的內徑或外徑增大時，泄漏量增大。

液化天然氣；潛液泵；推力平衡機構；軸向力；泄漏量

目前，我國正在大力發展LNG產業，預計到2020年中國天然氣基礎設施的投資累計達2 000多億元[1]。LNG在整個產業鏈中的轉運都需要使用LNG輸送泵。由于LNG溫度低且易燃易爆，LNG輸送泵的密封性能、電氣安全性能、可靠性等要求更高。目前常見的LNG輸送泵大多為潛液泵。

LNG潛液泵的葉輪和電機轉子同軸，均浸沒在LNG中。泵的軸向力過大會導致軸承磨損，影響泵的壽命和維修周期，因此推力平衡機構的設計是LNG潛液泵的關鍵技術之一。

1 工作原理

目前，軸向力的研究集中在普通的離心泵，通常采用在葉輪后蓋板上設置密封環，同時在葉輪輪轂處開平衡孔或在蓋板上增加背葉片來平衡軸向力[2]，相關論文對軸向力進行了計算[3-4]。但由于傳統的方法不能完全平衡軸向力，因此LNG潛液泵采用的軸向力平衡方法和傳統方法不同，目前相關研究成果也不多，大多為原理性質[5-6]。圖1為LNG潛液泵中常用的兩種推力平衡機構。

Ⅰ型推力平衡機構和末級葉輪一體，隨轉子一起旋轉，推力平衡機構和葉輪上部磨損環形成固定徑向間隙，和靜推力盤形成可變軸向間隙。其工作原理如下：由于推力平衡機構的上部磨損環直徑大于下部磨損環直徑，因此潛液泵工作過程中受到液壓合力豎直向上，使轉子組件向上移動，導致推力平衡機構和靜推力盤之間的軸向間隙減小，平衡腔的壓力增大。當平衡腔的壓力增大至大于液壓合力時，轉子部件又向下移動，推力平衡機構和靜推力盤之間的軸向間隙增大，平衡腔壓力減小。經過推力平衡機構反復連續的自調節，可以使泵的軸向力完全平衡[7]。

Ⅱ型推力平衡機構為平衡鼓結構，裝在末級葉輪之后，隨轉子一起旋轉，平衡鼓和軸承座形成固定徑向間隙，和擋板形成可變軸向間隙。其工作原理如下：由于葉輪前后蓋板不對稱，前蓋板在吸入口部分沒有蓋板，且潛液泵為立式布置，因此潛液泵工作過程中葉輪受到的液壓合力豎直向下。此時，軸向可變間隙最大，且擋板下方和出口相通，為高壓液體，因此高壓液體通過軸向間隙進入平衡腔，使轉子組件向上移動，導致平衡鼓和擋板之間的軸向間隙減小，平衡腔的壓力減小。當平衡腔的壓力減小至小于葉輪受到的液壓合力時，轉子部件又向下移動，平衡鼓和擋板之間的軸向間隙增大，平衡腔壓力增大。經過平衡鼓反復連續的自調節，可以使泵的軸向力完全平衡。

2 計算方法

采用Ⅰ型推力平衡機構。其計算原理見圖2，推力平衡機構的總壓差Δp等于徑向間隙壓差Δp1和軸向間隙壓差Δp2之和。

即Δp=Δp1+Δp2，Δp1=Δp3-Δp4，Δp2=Δp4-Δp5

定義靈敏度k=Δp2/Δp，計算時通常采用校核計算的方法，先根據經驗初步確定R3和R4，假設進口壓降系數φ=0.3～0.4計算R5，平衡盤計算完成后校驗φ值，應與假定值相符，否則重新假定進行計算。最后校核k值和相對泄漏量，k值應在0.3～0.5范圍內，相對泄漏量應小于5%，否則重新假定尺寸進行計算。

2.1 軸向力計算

1)前蓋板力A1。作用在前蓋板的壓力，上部磨損環以外部分的壓力與后蓋板對稱作用的壓力相互抵消，因此在計算前蓋板力時，只計算上部磨損環至下部磨損環之間的壓力。

假設蓋板兩側腔的液體無泄漏流動，并以葉輪旋轉角速度之半ω/2旋轉[8]，則半徑R處的壓頭為

葉輪出口勢揚程

葉輪前蓋板任意半徑R處，作用的壓頭差為

因此前蓋板軸向力A1

2)動反力A2。液體通常沿軸向進入葉輪，沿徑向或斜向流出。液體受到葉輪作用力，使液流通過葉輪時方向發生變化。反之，液體給葉輪一個大小相等方向相反的反作用力，該力即為動反力，指向葉輪后面。由動量定理

3)重力G。由于潛液泵為立式布置，因此要考慮轉子組件的重量。

4)后蓋板力F。作用在后蓋板的壓力，上部磨損環以外部分的壓力與前蓋板對稱作用的壓力相互抵消，因此在計算后蓋板力時，只計算上部磨損環以內的壓力。

為了計算作用在后蓋板上的力，必須首先假設后蓋板表面上壓力的變化規律。假定后蓋板R3～R4部分作用的壓力等于常數p4，軸承處容腔壓力為p5，后蓋板軸向間隙中的壓力按直線從p4-φΔp2變化到p5。其中φΔp2是軸向間隙進口壓力降(由進口損失和產生速度頭兩部分形成)，φ是進口壓降系數。

后蓋板力可按兩部分計算。其一是R3～R4部分的作用力

其二是R4～R5部分的作用力F2，假定后蓋板軸向間隙中的壓力按直線規律變化，則間隙部分任意半徑R處的壓差δp，由比例關系

因此后蓋板力為

2.2 阻力系數

1)徑向間隙阻力系數

2)軸向間隙進口阻力系數。軸向間隙進口壓降可以認為由形成進口速度的壓降和液流突然收縮引起的不可回收的損失兩部分組成

3)軸向間隙阻力系數

2.3 泄漏量

通過徑向間隙的泄漏量為

通過軸向間隙的泄漏量為

通過軸向間隙和徑向間隙的泄漏量相等，通常先確定軸向尺寸，再根據上面兩個公式確定徑向間隙長度。

3 應用實例

3.1 推力平衡機構設計

以某一型號LNG潛液泵為例，已知：流量Q=425 m3/h，揚程H=165 m，轉速n=3 580 r/min，水力效率ηh=0.87，容積效率ηv=0.92，介質為LNG，ρ=500 kg/m3，單級葉輪，輪轂半徑Rh=25 mm，葉輪進口磨損環半徑Rm=100 mm，葉輪進口半徑R1=80 mm，葉輪出口半徑R2=159 mm。

計算過程如下。

1)前蓋板力。葉輪旋轉角速度ω=374.7 rad/s；理論揚程Ht=189.7 m；勢揚程Hp=140.1 m；初步選擇上部磨損環半徑R3=128 mm；則前蓋板力A1=11 640 N，方向豎直向上。

2)動反力。葉輪出口軸面速度與軸線方向垂直，ε=90°；動反力A2=453 N，方向豎直向上。

3)重力。轉子組件重量約2 300 N，方向豎直向下。

4)后蓋板力。后蓋板力和前面3個力平衡，計算得到F=9 793 N，方向豎直向下；

6)泄漏量。泄漏量q=1.53 L/s；選擇圓角系數η=0.4，徑向間隙b1=0.2 mm，通過泄漏量相等公式計算得到徑向間隙長度L1=97 mm。

相對泄漏量q/Q=1.3%<5%，滿足要求。

上述計算表明,壓降系數φ值、靈敏度k值、相對泄漏量均滿足要求，因此推力平衡機構的設計合理。

3.2 推力平衡機構尺寸對泄漏量影響

推力平衡機構對泄漏量有影響的尺寸參數主要有平衡腔外徑D3、平衡腔內徑D4，徑向間隙長度L1，軸向間隙長度L2，徑向間隙b1，軸向間隙b2。其中，徑向間隙b1和軸向間隙b2通常根據工藝條件確定，軸向間隙長度L2根據平衡腔內徑和壓降系數確定，徑向間隙長度L1根據泄漏量相等公式得到，因此平衡腔外徑D3和內徑D4是影響泄漏量的關鍵參數。下面通過計算說明平衡腔外徑和內徑對泄漏量的影響。

1)平衡腔內徑對泄漏量的影響。保持R3=128 mm，L2=15 mm，更改R4尺寸，計算得到軸向間隙壓差Δp2和泄漏量，見圖3。

由圖3可見，軸向間隙壓差和泄漏量均隨R4的增大而變大。當平衡腔內徑增大時，前蓋板力不變，平衡腔的面積變小，因此平衡腔的壓力變大，軸向間隙壓差變大，泄漏量變大。

2)平衡腔外徑對泄漏量影響。保持R4=75 mm，L2=15 mm，更改R3尺寸，計算得到軸向間隙壓差Δp2和泄漏量，見圖4。

由圖4可見，軸向間隙壓差和泄漏量均隨R3的增大而變大。當平衡腔外徑增大時，前蓋板力變大，平衡腔的面積也變大，但外徑尺寸變大對前蓋板力的影響更大，因此平衡腔的壓力變大，軸向間隙壓差變大，泄漏量變大。

在設計推力平衡結構時，應在滿足軸向力平衡的同時，使泄漏量盡量小，但同時要考慮潛液泵中的電機和軸承的冷卻流量需求，防止電機和軸承的溫升過高導致LNG氣化，因此泄漏量不能過小。

4 結論

1)對LNG潛液泵的推力平衡機構的原理進行了分析，提出了Ⅰ型推力平衡機構的計算方法，對推力平衡機構的設計有一定指導意義。

2)設計了Ⅰ型泵的推力平衡機構，經校核，壓降系數、靈敏度和相對泄漏量均滿足要求。

3)研究了推力平衡機構尺寸對泄漏量的影響。結果表明，當推力平衡機構的平衡腔的內徑或外徑增大時，軸向間隙壓差和泄漏量增大。

4)在設計推力平衡機構時，應同時滿足軸向力平衡和電機、軸承冷卻流量需求，泄漏量盡量小。

[1] 孫曉玲，劉忠明，張燕.液化天然氣潛液泵的研制[J]．低溫工程，2010(2)：20-23.

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[3] 施衛東,李啟鋒,陸偉剛,等.基于CFD的離心泵軸向力計算與試驗[J]．農業機械學報，2009，40(1)：60-63.

[4] 汪細權.屏蔽泵軸向力的自動平衡方法[J]．水泵技術，2002(2)：24-26.

[5] WEISSER G L．Modern submersible pumps for cryogenic liquids[J]. World pumps，1994(1)：23-25.

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[8] 關醒凡.現代泵技術手冊[M]．北京：宇航出版社，1995.

(武漢船用機械有限責任公司，武漢 430084)

Design of Thrust Equalizing Mechanism for LNG Submerged Pump

LV Cheng-hui, XIAO Zhi-yuan, GAN Zheng-lin

(Wuhan Marine Machinery Plant Co., Ltd, Wuhan 430084, China)

To solve the problem of axial force in LNG submerged pumps, the working principle of thrust equalizing mechanism (TEM) for the LNG submerged pump was analyzed, and a method of calculating key dimensions of TEM was put forward. One type of TEM was designed. The influence of TEM’s dimensions on leakage was studied. It was shown that when the inner diameter or the outer diameter of the equalizing chamber increases, the leakage increases.

LNG; submerged pump; thrust equalizing mechanism (TEM); axial force; leakage

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.01.011

2016-07-14

國家發改委項目(發改委高技[2015]1409號)

呂程輝(1990—)，男，碩士，助理工程師研究方向:低溫泵

U664.5

A

1671-7953(2017)01-0045-04

修回日期：2016-08-24