LNG低温潜液泵诱导轮水力设计及数值模拟

邰晓亮，陈杰，盖小刚

（中海石油气电集团技术研发中心，北京 100027）

LNG低温潜液泵诱导轮水力设计及数值模拟

邰晓亮*，陈杰，盖小刚

（中海石油气电集团技术研发中心，北京 100027）

低温潜液泵输送介质为液化天然气时，通常需要加装诱导轮来提高该类型泵第一级叶轮的进口压力，提高其抗汽蚀性能。本文基于二元流动理论进行了LNG潜液泵诱导轮的水力设计，在诱导轮叶片进口边采用后掠修圆，改善了最容易发生汽蚀的外缘进口处的抗汽蚀条件。选用RNGκ-ε模型封闭RANS方程，采用SIMPLEC算法、Mixture多相流模型与Schnerr-Sauer空化模型对设计诱导轮内流场进行了数值模拟，模拟结果显示诱导轮内发生严重空化时空泡主要分布在叶轮轮缘处，空化的发生不会大面积堵塞流道，保证了诱导轮的增压性能，验证了诱导轮水力设计方法的可行性及其优点。

LNG泵；诱导轮；空化；水力设计；数值模拟

0 引言

液化天然气（Liquefied Natural Gas，LNG）具有节能、环保、安全、可靠和经济效益高等众多优点，近年来已经成为我国能源领域迅猛发展的新兴产业[1-2]。大量LNG接收站、LNG储备站和LNG液化工厂的建立，成为我国调节能源结构的重要举措。LNG潜液泵是大型LNG储罐和LNG船上不可缺少的设备，其主要作用是对LNG介质进行增压输送。

低温泵运行时泵内容易发生空化，影响泵的正常运行[3]。LNG潜液泵输送介质为液化天然气，其温度为-160 ℃左右，更易导致泵内发生空化现象，因此对过流部件有更高的空化性能要求。为此，LNG潜液泵通常需要加装诱导轮改善叶轮进口来流，提高其抗汽蚀性能。关于诱导轮内的流动特性和结构设计，研究者们开展了大量的研究。潘中永等[4]对诱导轮流量系数和扬程进行了理论分析和研究，提出了诱导轮的关键几何参数的确定方法及其设计步骤。孔繁余等[5]基于诱导轮水力计算方法，分析了变螺距诱导轮的汽蚀性能，研究了诱导轮的螺距变化规律，给出了变螺距诱导轮应用实例。孙建等[6]从分析变螺距诱导轮变化规律入手，以诱导轮入口无汽蚀、出口扬程满足离心叶轮进口能量要求为计算依据，推导了诱导轮基本结构参数的计算方法。王小波等[7]采用数值模拟方法分别计算了诱导轮内部液氢和水的空化流动，得到了诱导轮内部的空化特性，分析了介质热力学效应对诱导轮空化性能的影响。李晓俊等[8]研究了带诱导轮的离心泵空化流动，获得了离心泵扬程下降规律，验证了诱导轮可以改善泵空化性能，能够抑制空泡在主叶轮内的扩散，而主叶轮的扬程并未明显下降。CAMPOSE-AMEZCUA等[9]基于商业CFD软件研究了一个双叶片诱导轮内部的空化现象，发现了空化初生的位置以及空化在叶片通道内交替出现的现象。崔宝玲等[10]对等螺距诱导轮内部的流动进行了三维紊流数值计算和分析，获得了诱导轮流道内的速度场、压力场的分布规律。王文廷等[11]研究了诱导轮与离心轮的匹配性，通过对不同诱导轮、离心轮方案及不同相对位置流场进行了仿真计算，得出了诱导轮与离心轮匹配的设计方案。李嘉等[12]对一体式诱导轮与离心泵进行了汽蚀特性进行了数值计算，并通过CFD软件Pumplinx研究了最差汽蚀工况下的汽蚀特性。GUO等[13]基于CFX软件研究了短叶片位置分布对于长短叶片型诱导轮抗汽蚀性能的影响规律，并得出了一组具有较好抗汽蚀性能的诱导轮。

本文针对LNG潜液泵内介质易于空化的特点，基于二元流动理论进行了LNG泵诱导轮的水力设计，并采用数值模拟方法分析设计诱导轮内部的空化特征，验证设计结果。

1 诱导轮的水力设计方法

基于二元流动理论进行诱导轮水力设计。假定轴面运动为有势流动，即Ωu= 0的二元流动。设计工况为：转速n= 2,900 r/min，流量Q0= 430 m3/h，扬程H= 9 m。

主要设计步骤为：首先采用经验公式计算得到诱导轮主要结构尺寸参数以生成初始轴面流道轮廓；依此轮廓绘制轴面计算流网并应用准正交线法完成轴面流场计算；按轴面流线分布计算过流断面线分布，并检验诱导轮过流断面面积分布是否合理；通过迭代不断调整轴面流道轮廓以满足设计要求；使用逐点积分法进行叶片骨线绘形，并在轴面流线方向上进行叶片加厚处理；最后利用Bezier曲线对叶片头部进行修整以完成设计，其程序流程图如图1所示。

图1 诱导轮设计流程图

1.1 确定轴面流道轮廓

根据诱导轮结果经验公式，计算得到主要轴面结构尺寸参数并生成初始轴面流道轮廓，如图2所示。图中Dh表示轮毂处直径，Dt表示叶尖处直径。叶片进口边为图中斜线位置处。

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

图2 诱导轮轴面流道轮廓

2 诱导轮内流场数值模拟方法

3 数值模拟结果分析

4 结论

10.3969/j.issn.2095-4468.2016.06.105

*邰晓亮（1984-），男，工程师，硕士。研究方向：天然气液化技术和设备研制。联系地址：北京市朝阳区太阳宫南街6号院C座903，邮编：100028。联系电话：010-84526016。E-mail：taixl@cnooc.com.cn。

中国海洋石油总公司科技项目“大型LNG储罐内潜液泵国产化联合研制”（No. CNOOC-KJ 125 ZDXM 14 QD010 QD2013）。