錢濤,陳紅勛,梁成鵬

(上海大學上海市應用數(shù)學和力學研究所,上?！?00072)

基于CFD的潛液式液化天然氣泵導葉設計

錢濤,陳紅勛,梁成鵬

(上海大學上海市應用數(shù)學和力學研究所,上海200072)

潛液式液化天然氣(liquefied natural gas,LNG)泵工作時,屏蔽電機和泵體全部浸沒在低溫液體中.為減小泵的徑向和軸向尺寸,潛液式LNG泵采用了一種特殊結構的導葉.在分析潛液式LNG泵導葉結構特點的基礎上,研究導葉進口喉部寬度和折轉角對泵設計工況水力性能的影響.首先,設計不同幾何參數(shù)的導葉,并分別與同一葉輪進行匹配；再通過ANSYS CFX軟件,采用標準k-ε湍流模型對各導葉分別進行全流場數(shù)值計算.計算結果表明：進口喉部寬度是潛液式LNG泵導葉的關鍵尺寸,設計時需重點考慮；進口喉部寬度存在最優(yōu)值,且最優(yōu)值大于經(jīng)驗值；進口折轉角對泵揚程和效率影響較小.因此,設計導葉時可優(yōu)先確定其他關鍵尺寸,再通過調(diào)節(jié)進口折轉角改善導葉的結構.

潛液式液化天然氣泵；導葉；喉部寬度；折轉角；數(shù)值模擬

近年來,清潔能源液化天然氣(liquefied natural gas,LNG)的使用在我國發(fā)展迅速,潛液式LNG泵(簡稱LNG泵)的應用范圍也在不斷擴大.LNG泵的結構如圖1所示,其結構設計的特點有助于屏蔽電機并使泵體全部浸沒在低溫液體中,達到零泄漏[1].圖2為LNG泵的過流部件,其基本工作過程如下：與葉輪和誘導輪共軸的電機帶動泵軸高速旋轉,從而帶動誘導輪和葉輪轉動,導葉則固定在泵體上；低溫液體經(jīng)過誘導輪進入葉輪后在離心力作用下從葉輪出口甩出,然后進入導葉入口,減速擴壓后進入到下一級的葉輪,再經(jīng)過下一級導葉壓出.

圖1　LNG泵的結構Fig.1　Structure of LNG pump

圖2　LNG泵的過流部件Fig.2　Overflow parts of LNG pump

導葉是LNG泵的關鍵過流部件之一,其設計的好壞對泵的性能有著重要的影響.已有研究表明,導葉內(nèi)的水力損失約占泵內(nèi)水力損失的40%～50%[2-6].導葉的主要作用是收集葉輪中甩出的液體,并將液體的動能轉化為壓能后輸送至下一級吸入口或排出口.根據(jù)結構特點的不同,現(xiàn)有的導葉主要有徑向導葉、流道式導葉和空間導葉(見圖3).徑向導葉的正導葉和反導葉相互隔開,導葉出口的直徑相比葉輪直徑增大30%左右[7].但只有反導葉而沒有正導葉的徑向導葉雖然可以縮小徑向尺寸,但匹配高轉速葉輪時,由于甩出的液體圓周分速度較大,液體會直接進入反導葉從而產(chǎn)生堵塞導致水力性能降低.流道式導葉的工作效率較高,但設計和制造難度較大[8].空間導葉和流道式導葉類似,正反導葉合為一體,其軸向尺寸較大[9].由于LNG泵轉速較高,且其泵體浸沒在液體容器中,緊湊的結構設計特點對節(jié)約泵裝置安裝空間和生產(chǎn)成本意義重大,因此LNG泵的導葉采用如圖2所示的特殊設計.考慮到導葉結構的特殊性,有必要分析其設計參數(shù)對泵性能的影響,這不僅可為LNG泵導葉的設計優(yōu)化提供參考,也可為多級離心泵導葉的設計提供新思路.

圖3　泵導葉的常見設計Fig.3　Popular design of pump diffuser

隨著流體力學的發(fā)展和計算機性能的提高,計算流體動力學(computational fluid dynamics,CFD)技術成為模擬泵內(nèi)部流動規(guī)律和預測水力性能的重要工具.相對于離心泵的葉輪及其蝸殼內(nèi)部流場的分析計算和特性研究,國內(nèi)對于導葉性能的數(shù)值研究較少.徐媛暉等[10]設計出一款新型軸向導葉,并將同一葉輪分別與兩個導葉進行匹配,再對這兩組模型分別進行了全流場數(shù)值計算,結果表明該新型軸向導葉能夠改善導葉內(nèi)部流動,提高井泵的水力性能.周嶺等[11]針對深井離心泵,設計了三維曲面導葉與圓柱形導葉,并進行了全流場數(shù)值模擬,為優(yōu)化導葉水力性能提供了參考.叢小青等[12]對一空間導葉式離心泵進行全流道三維湍流數(shù)值計算,分析了設計工況下整個流道、環(huán)形空間及其空間導葉內(nèi)部的流場分布,并通過試驗驗證了計算結果.李家文等[13]針對液氫泵提出了一種流道式導葉的設計方法,降低了級間導葉的損耗,提高了液氫泵的工作效率.

本工作主要借助數(shù)值模擬分析不同幾何參數(shù)對LNG泵導葉水力性能的影響.首先,分析LNG泵導葉的結構特點和幾何參數(shù)選取方法；然后,在保證其他參數(shù)不變的情況下,分別改變進口喉部寬度和轉折角,設計出不同的導葉,并將導葉與同一葉輪進行匹配.通過ANSYS CFX軟件,在設計工況下對各模型進行全流場定常數(shù)值計算；最后,根據(jù)三維數(shù)值計算結果分析進口喉部寬度和折轉角對LNG泵導葉水力性能的影響.

1　LNG泵導葉的幾何描述

圖4為LNG泵導葉的三維模型,其中R3為導葉進口半徑,R4為導葉外圓半徑,α3和β為導葉葉片進口的安裝角和折轉角,a3和b3為導葉進口喉部的寬度和高度,δ為導葉葉片入口的厚度,a4和b4為導葉出口喉部的寬度和高度.由圖4可以看出,流道沿周向均勻布置,圓弧AB,BC沿著導葉中心軸旋轉相應的角度得到下一個流道的進口邊.

圖4　LNG泵導葉的三維模型Fig.4　3D model of LNG pump diffuser

LNG泵導葉的主要結構為進口擴散段、轉向段和出口導流柵三部分.液體以一定的液流角沿AB段匯集到導葉入口,再流入導葉進口擴散段,由于β＞α3,流道寬度和深度都逐漸增加,液體的速度降低,動能轉化為壓能；接著,液體經(jīng)過導葉圓弧轉向段,沿圓周半徑方向流出導葉擴散段；最后,不同流道的液體在空腔匯集后經(jīng)過導流柵沿軸向流入下一級葉輪.液體沿軸向進入導葉入口時,流動類似于空間導葉,而進口擴散段又類似于徑向導葉的正導葉,因此LNG泵導葉具有軸向和徑向尺寸均較小的優(yōu)點.另外,流道多為圓弧形結構,設計和加工都較為方便.

2　水力模型

LNG泵設計工況參數(shù)如下：流量Q=20.4 m3/h,揚程H=200 m,轉速n=6 000 r/min,級數(shù)為兩級.一級葉輪和導葉與二級葉輪和導葉的水力設計相同,因此本工作只取LNG泵的一級葉輪和導葉進行數(shù)值模擬.考慮到誘導輪的主要作用是改變?nèi)~輪的進口入流條件以及提高葉輪的抗空化性能,本工作計算時未考慮誘導輪的作用.流體域由進口段、一級葉輪、一級導葉、腔體以及出口段組成.

2.1葉輪水力模型

LNG泵一級葉輪的幾何參數(shù)如表1所示,其三維造型如圖5所示.

表1　LNG泵一級葉輪的幾何參數(shù)Table 1　Geometric parameters of the primary impeller in LNG pump

圖5　LNG泵葉輪的三維模型Fig.5　3D model of LNG pump impeller

2.2導葉水力模型

借鑒徑向導葉的設計方法,LNG泵導葉主要幾何參數(shù)的計算如下.

(1)根據(jù)葉輪出口直徑D2,選取導葉進口直徑D3,有

(2)選取導葉葉片數(shù)Z2.本工作中葉輪的葉片數(shù)為4,為減小泵的振動,導葉的葉片數(shù)選為7.(3)根據(jù)速度系數(shù)法[2],計算進口喉部面積F3,有

(4)確定導葉出口喉部面積F4,有

式中,出口速度v4選取3～5 m/s的流速,目的是減少液體在環(huán)形空腔內(nèi)的流動損失.

(5)計算導葉進出口的喉部寬度a3,a4以及高度b3,b4.因為

且有數(shù)據(jù)表明喉部斷面接近正方形效果較佳[2],所以可取

另外,導葉的外圓直徑為

(6)選取導葉葉片的入口厚度δ,有

(7)計算導葉進口安裝角α3,有

式中,vm3為導葉進口軸面速度,vu3為導葉進口圓周速度,α為進口沖角.

(8)根據(jù)進口安裝角α3,選取折轉角β=α3+(6°～10°),其中β的選取應考慮導葉的結構特點,避免導葉的部分面穿透或太薄.

根據(jù)上述設計方法初步得到的LNG泵導葉A0的幾何參數(shù)如表2所示.可以看出,導葉外圓直徑僅比葉輪直徑增加12.8%.LNG泵導葉的進口擴散段的幾何參數(shù)有α3,β,a3,它們決定了導葉進口喉部面積的大小,也決定了擴散段的形狀,從而影響導葉與葉輪的匹配程度,其中α3可通過計算液流進口角確定,進口喉部寬度a3和折轉角β的確定則有待進一步研究.

表2　LNG泵導葉的幾何參數(shù)Table 2　Geometric parameters of LNG pump diffuser

3　數(shù)值模擬

為分析LNG泵導葉在設計工況下的水力性能,對LNG泵一級葉輪和一級導葉匹配后的流道進行定常數(shù)值計算.

3.1流道建模和網(wǎng)格劃分

計算流體域分塊建模如下：通過UG軟件的求差運算功能得到葉輪旋轉部分流道和導葉靜止部分流道,其中進口和出口段適當延長,考慮葉輪蓋板與腔體及導葉之間的間隙,而不考慮液體軸間的泄露.LNG泵的幾何模型如圖6所示.LNG泵流道的網(wǎng)格劃分在ICEM CFD軟件中完成(見圖7),其中進口段、出口段以及葉輪采用全六面體結構網(wǎng)格,導葉部分由于幾何結構過于復雜,采用適應性較好的非結構四面體網(wǎng)格.計算時通過網(wǎng)格拼接技術將各塊網(wǎng)格耦合,其中進口為9萬計算單元,葉輪為152萬計算單元,出口為13萬計算單元.對于不同的導葉,采用同一套進口、葉輪和出口網(wǎng)格.

圖6　LNG泵的幾何模型Fig.6　Geometric model of LNG pump

圖7　LNG泵的計算網(wǎng)格Fig.7　Computational mesh of LNG pump

導葉進行網(wǎng)格劃分時,導葉考慮擴散段為關鍵過流段,因此對其流道采用密度盒加密設置.為檢驗不同網(wǎng)格數(shù)對計算結果的影響,根據(jù)A0導葉與葉輪匹配計算的揚程來進行網(wǎng)格無關性檢驗,其中導葉擴散段密度盒尺寸設置為1.5～0.4 mm,導葉網(wǎng)格數(shù)從200萬增加到540萬.數(shù)值計算結果如圖8所示,可以看出：當導葉網(wǎng)格數(shù)從200萬增加到540萬時,揚程變化不超過4%；當網(wǎng)格數(shù)大于430萬時,揚程變化在0.5%以內(nèi).考慮到計算的效率和精度,本工作中導葉的網(wǎng)格設置如下：擴散段流道密度盒尺寸為0.5 mm,全局尺寸為2 mm,導葉單元數(shù)為400萬～500萬.對于不同的導葉,均采用相同的網(wǎng)格設置方式.

圖8　揚程隨導葉網(wǎng)格數(shù)的變化曲線Fig.8　Variation curve of head with diffuser mesh number

3.2計算模型與定解條件

對于離心泵內(nèi)部的不可壓縮流動,本工作采用ANSYS CFX求解守恒型雷諾時均方程,并選擇標準k-ε兩方程湍流模型進行封閉.葉輪采用固系于旋轉葉輪上的相對參考系,導葉及腔體采用靜止坐標系,動、靜域之間采用Frozen Rotor的動靜交接面模型.計算時,對流項采用高分辨率格式,流場求解使用全隱式多重網(wǎng)格耦合方法,這不僅能夠同時求解連續(xù)方程和動量方程,還能提高計算收斂速度和穩(wěn)定性.

進口條件選用總壓進口條件,參考壓力設為101.325 kPa(1標準大氣壓),總壓設為0 Pa；出口設定流量出口；葉輪旋轉部分設定轉速6 000 r/min；時間步設為1 500步.自定義設置介質屬性,液態(tài)天然氣密度為441.36 kg/m3,動力黏度為0.2 mPa·s.

3.3進口喉部寬度的影響

為分析進口喉部寬度對導葉性能的影響,設計了不同進口喉部寬度的導葉A1～A7(見表3).圖9為A1,A4,A7的結構對比.可以看出,隨著進口喉部寬度a3的增大,導葉擴散段結構由狹長形變成短寬形.通過數(shù)值模擬,得到了a3不同時的單級泵在設計工況點下的揚程和效率(見圖10).

表3　不同LNG泵導葉的進口喉部寬度Table 3　Inlet widths of different LNG pump diffusersmm

圖9　導葉A1,A4和A7的對比Fig.9　Comparisons of diffusers A1,A4 and A7

從圖10可以看出：導葉進口喉部寬度對單級泵的揚程和效率有較大的影響,隨著進口寬度的增大,單級泵的揚程和效率先有較大的提升,然后提升幅度逐漸收窄,達到最大值后回落；進口喉部寬度存在最優(yōu)值,且最優(yōu)值大于速度系數(shù)法計算所得數(shù)值.

圖10　不同進口喉部寬度導葉性能的對比Fig.10　Performances comparison of diffusers with different inlet widths

圖11為導葉A1,A0,A5和A7擴散段橫截面的流線圖.可以看出,各導葉擴散段流道內(nèi)都存在分離渦.導葉A1由于進口喉部面積偏小,流道狹長,進口流速過大,擴散段內(nèi)的漩渦大小約占流道長度的70%,流態(tài)較差,且流出擴散段后,大部分液體仍然存在較大的切向速度,導葉損失較大.導葉A7則由于進口喉部面積過大,且流道長度過短,導致液體在導葉內(nèi)不能充分擴散,經(jīng)過擴散后的液體也存在較大的切向速度.導葉A0和A5的流態(tài)相對較好,液體流出擴散段后切向速度較小,這有利于液體沿著軸向進入下一級葉輪進口端.因此,在設計LNG泵導葉時應避免進口喉部寬度取值過小,可選取比速度系數(shù)法計算的數(shù)值稍大的進口喉部寬度.

圖11　進口喉部寬度不同時導葉擴散段橫截面流線的對比Fig.11　Comparisons of cross section streamline for diffusers with different inlet widths

3.4折轉角β的影響

為分析進口折轉角β對LNG泵導葉性能的影響,參照導葉A4的幾何結構設計了導葉A8～A10(見表4).圖12為不同進口折轉角導葉的結構對比.可以看出,隨著β的減小,圓圈處的壁面厚度逐漸減小直至穿透,導葉的擴散段長度有所增加.

表4　不同LNG泵導葉的折轉角Table 4　Turning angles of different LNG pump diffusers(°)

圖12　導葉A4,A8和A9的對比Fig.12　Comparisons of diffusers A4,A8 and A9

圖13為導葉進口轉折角β不同時單級泵的揚程和效率.可以看出,β對單級泵的揚程和效率影響較小,揚程變動范圍為1 m以內(nèi).圖14為導葉A4,A8和A9擴散段橫截面的流線圖.可以看出,導葉內(nèi)部流態(tài)較相似.鑒于進口轉折角對LNG泵導葉的水力性能影響較小,在設計導葉時,可以優(yōu)先確定其他關鍵尺寸,最后再通過調(diào)節(jié)進口轉折角改善導葉的結構.

圖13　不同進口折轉角的導葉性能對比Fig.13　Performance comparisons of diffusers with different turning angles

圖14　折轉角不同時導葉擴散段橫截面流線的對比Fig.14　Comparisons of cross section streamline for diffusers with different turning angles

4　結束語

LNG泵的導葉不同于常規(guī)導葉,其結構簡單緊湊,徑向和軸向尺寸都相對較小,加工更加方便.本工作在分析LNG泵導葉結構特點的基礎上,重點考慮進口喉部寬度和折轉角對設計工況下泵水力性能的影響.通過設計不同幾何參數(shù)的LNG泵導葉,將設計導葉分別與同一葉輪進行匹配,并借助數(shù)值模擬計算LNG泵導葉的性能.研究結果表明：進口喉部寬度是LNG泵導葉的關鍵尺寸,設計時需重點考慮；進口喉部寬度存在最優(yōu)值,且最優(yōu)值大于速度系數(shù)法計算的值；導葉進口折轉角對泵揚程影響較小,設計時可最后考慮通過改變折轉角改善導葉的結構.

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Design of liquefied natural gas submerged pump guide vane based on CFD

QIAN Tao,CHEN Hongxun,LIANG Chengpeng
(Shanghai Institute of Applied Mathematics and Mechanics,Shanghai University, Shanghai 200072,China)

Liquefied natural gas(LNG)submerged pump is designed to immerse its canned motor and pump body into cryogenic liquid.To reduce radial and axial sizes,special guide vanes with different structures from popular ones are used.By analyzing the LNG pump structure,two key geometric parameters,inlet width and turning angle,were investigated to see how they affect pump hydraulic performance in the design.LNG pump guide vanes with different inlet widths and turning angles were designed to assemble the same impeller. Three-dimensional turbulent flows of different models were then numerically simulated using a standard k-ε turbulence model with ANSYS CFX.The comparative study revealed that optimum value of inlet width exited,and was larger than experience-based values. Inlet width had great influence on the pump performance,while turning angle was much less important.Therefore,designing an LNG pump guide vane,inlet width should be given high priority,and turning angle should be adjustable for structural design.

liquefied natural gas(LNG)submerged pump；guide vane；inlet width；turning angle；numerical simulation

TH 311

A

1007-2861(2016)05-0606-10

10.3969/j.issn.1007-2861.2015.01.016

2015-03-18

陳紅勛(1962—),男,研究員,博士生導師,博士,研究方向為流體機械、計算水動力學. E-mail:chenhx@shu.edu.cn