液化天然气潜液泵的水力设计研究及其样机研发

【摘要】：近年来,清洁能源液化天然气(LNG)在世界能源供应中的比例迅速增加,成为全球增长最迅猛的石油化工产品之一。LNG在整个产业链中的转移需要借助液化天然气(LNG)潜液泵来实现。目前,国外几家公司基本垄断着LNG潜液泵的供应,若自主研制LNG潜液泵,则必须先对LNG潜液泵的设计进行研究。本文以LNG加注站装置中的LNG潜液泵为具体研究对象,在把握其结构特点的基础上,分析、研究并总结设计方法,研制LNG潜液泵样机,旨在为今后LNG潜液泵的设计制造提供理论基础和技术支撑。全文的主要工作如下:一、LNG潜液泵主要过流部件的水力设计研究这部分重点分析和研究叶轮、诱导轮和导叶等主要过流部件的水力设计方法,兼顾泵的性能及结构合理性,对叶轮、诱导轮、导叶进行水力设计。叶轮设计采用基于一元设计理论的传统设计方法,针对LNG潜液泵的特点,考虑液体流经出液管段的水力损失来计算理论扬程,以保证泵整机的扬程。诱导轮的设计扬程需根据叶轮的必需汽蚀余量来确定。考虑到计算流体动力学(CFD)方法可以仿真泵内的空化流动,本文通过数值实验方法来确定叶轮的必需汽蚀余量,并综合考虑性能的要求和结构的合理性,确定诱导轮的几何参数。导叶采用了一种特殊的结构,其优点是可有效减小泵的径向尺寸。由于这种导叶尚无确定的设计方法,本文借鉴径向导叶的设计方法,确定LNG潜液泵导叶的几何参数,并通过数值方法研究导叶进口喉部宽度和折转角对泵水力性能的影响,发现进口喉部宽度对泵扬程和效率影响较大,且存在最优值,而进口折转角对泵扬程和效率则影响较小。二、LNG潜液泵水力性能和空化性能预测本文在水力设计完成后,通过数值模拟的方法预测泵的水力和空化性能,并对泵内的流动和空化特征进行分析。水力性能预测时,将LNG潜液泵的所有过流区域作为计算域,在不同流量下计算LNG潜液泵的性能参数;空化性能预测时,计算域则主要包括诱导轮和一级叶轮的过流部分,分别在等温和考虑热力学效应情况下进行空化数值模拟,分析热力学效应对低温空化的影响。结果表明:预测的潜液泵水力性能可以达到设计要求,流量-扬程曲线在小流量工况较为平坦,大流量工况下降较快,且泵的高效率区较宽。低温液体热力学效应对泵的空化性能影响显著,考虑热力学效应计算的泵必需汽蚀余量比等温情况下计算的值要小。三、LNG潜液泵样机研制及试验在LNG潜液泵样机设计的基础上,研制LNG潜液泵样机,以液氮为介质,分别针对现有相同设计参数的进口LNG潜液泵和新研制的LNG潜液泵进行性能试验。试验结果表明新研制的LNG潜液泵运行正常,其效率在小流量工况时低于进口泵,大流量时高于进口泵,且高效率区更宽,这将有利于该泵的实际应用。 【关键词】：LNG潜液泵 诱导轮 导叶 CFD 低温液体空化
【学位授予单位】：上海大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TE974.1
【目录】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-12
• 第一章 绪论12-16
• 1.1 研究背景及意义12-13
• 1.2 LNG潜液泵发展及研究现状13-15
• 1.3 论文的主要研究内容15-16
• 第二章 LNG潜液泵主要过流部件的水力设计16-50
• 2.1 泵的整体结构及设计要求16-17
• 2.2 水力设计方法和数值分析方法17-31
• 2.2.1 叶轮的水力设计方法17-20
• 2.2.2 诱导轮的水力设计方法20-23
• 2.2.3 导叶的水力设计方法23-27
• 2.2.4 本文涉及的数值分析方法27-31
• 2.3 LNG潜液泵水力模型设计31-49
• 2.3.1 叶轮水力设计31-32
• 2.3.2 诱导轮水力设计32-41
• 2.3.3 导叶水力设计41-48
• 2.3.4 其他导流部件48-49
• 2.4 本章小结49-50
• 第三章 LNG潜液泵性能预测50-61
• 3.1 整体水力性能预测50-54
• 3.1.1 计算几何模型及边界条件50-51
• 3.1.2 结果分析51-54
• 3.2 空化性能预测54-59
• 3.2.1 计算几何模型及边界条件54-56
• 3.2.2 结果分析56-59
• 3.3 本章小结59-61
• 第四章 LNG潜液泵研制及试验61-68
• 4.1 LNG潜液泵样机试制61-64
• 4.1.1 低温材料选取61-62
• 4.1.2 制造工艺选取62-64
• 4.2 LNG潜液泵试验测试台搭建64-65
• 4.3 LNG潜液泵试验研究65-67
• 4.3.1 试验步骤65-66
• 4.3.2 试验数据说明66
• 4.3.3 试验结果66-67
• 4.4 本章小结67-68
• 第五章 总结与展望68-70
• 5.1 总结68-69
• 5.2 展望69-70
• 参考文献70-74
• 作者在攻读硕士学位期间公开发表的论文74-75
• 致谢75

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