液化天然氣潛液泵空化性能及壓力脈動(dòng)特性研究液化天然氣(LNG,即LiquefiedNaturalGas)是一種清潔能源,以每年15%以上的需求增長(zhǎng)率成為我國(guó)能源領(lǐng)域一個(gè)迅猛發(fā)展的新興產(chǎn)業(yè)。作為L(zhǎng)NG產(chǎn)業(yè)鏈中的核心動(dòng)力輸送裝備—LNG潛液泵,其性能好壞不僅影響泵的性能和使用壽命,而且影響LNG產(chǎn)業(yè)的安全性、經(jīng)濟(jì)性。由于LNG潛液泵的核心技術(shù)被國(guó)外壟斷,我國(guó)尚未擁有自主產(chǎn)權(quán)的相關(guān)LNG潛液泵產(chǎn)品。因此,開(kāi)展高效LNG潛液泵關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)研究,獲得滿足性能要求的葉輪設(shè)計(jì)參數(shù)和誘導(dǎo)輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化參數(shù),掌握空化特性和空化工況下的壓力脈動(dòng)特性,對(duì)我國(guó)天然氣資源的有效利用和能源危機(jī)的緩解具有十分重要的意義。本文在省六大人才高峰(B類)項(xiàng)目“萬(wàn)噸級(jí)深海浮式LNG潛液泵水力設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用”的資助下以LNG潛液泵為研究對(duì)象,根據(jù)設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)了具有良好性能的LNG潛液泵模型,基于CFD分析技術(shù),研究了LNG潛液泵能量性能、內(nèi)部流場(chǎng)、空化性能以及空化激勵(lì)下的壓力脈動(dòng)特性,為L(zhǎng)NG潛液泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)和空化激勵(lì)特性的研究奠定了理論基礎(chǔ)。本文的主要工作和創(chuàng)新性成果有:(1)LNG潛液泵主要過(guò)流部件包括葉輪、導(dǎo)葉和誘導(dǎo)輪等,本文分析并總結(jié)了這些主要過(guò)流部件的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。采用速度系數(shù)法對(duì)葉輪進(jìn)行了參數(shù)計(jì)算,為使誘導(dǎo)輪入口流動(dòng)狀態(tài)和幾何參數(shù)形成最優(yōu)配合,基于Brumfield準(zhǔn)則獲得與之相對(duì)應(yīng)的相關(guān)參數(shù),借鑒徑向?qū)~的設(shè)計(jì)方法確定導(dǎo)葉的幾何參數(shù)。在參數(shù)計(jì)算的基礎(chǔ)上,完成主要過(guò)流部件的三維建模。(2)通過(guò)數(shù)值模擬預(yù)測(cè)LNG潛液泵的能量性能,獲得不同流量工況下全流場(chǎng)壓力分布、葉輪和誘導(dǎo)輪內(nèi)的速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)分布,研究了葉輪進(jìn)口直徑對(duì)LNG潛液泵能量性能的影響。研究結(jié)果表明,LNG潛液泵流量-揚(yáng)程曲線在小流量范圍內(nèi)平穩(wěn)下降,大流量工況下呈現(xiàn)出陡降趨勢(shì),效率的最優(yōu)工況點(diǎn)偏向大流量工況,高效區(qū)范圍寬,滿足能量性能要求。小流量工況下,LNG潛液泵內(nèi)部流道存在明顯流動(dòng)分離現(xiàn)象,是能量性能在迅速下降的原因之一。隨著葉輪進(jìn)口直徑增加,泵揚(yáng)程和效率增量均小于3%,說(shuō)明進(jìn)口直徑對(duì)于能量性能有積極影響但并不顯著。(3)對(duì)LNG潛液泵在不同汽蝕余量下的空化性能進(jìn)行了定常、非定常數(shù)值模擬,研究了葉輪進(jìn)口直徑對(duì)LNG潛液泵空化性能的影響,獲得了LNG潛液泵內(nèi)空化空泡隨時(shí)間的演化過(guò)程。研究結(jié)果表明,LNG潛液泵臨界汽蝕余量NPSH_c=4.92m,符合設(shè)計(jì)要求?？张菰谡T導(dǎo)輪內(nèi)首先出現(xiàn)在進(jìn)口前緣處,而在葉輪內(nèi)首先發(fā)生于葉片進(jìn)口端吸力面處,空化嚴(yán)重區(qū)域位于葉輪前蓋板附近。隨著葉輪進(jìn)口直徑的增加,葉輪空化性能經(jīng)歷了非單一升降的變化過(guò)程,葉輪進(jìn)口直徑對(duì)空化性能的影響可能存在一個(gè)最佳取值。(4)研究了不同流量、不同汽蝕余量下LNG潛液泵誘導(dǎo)輪、葉輪及導(dǎo)葉內(nèi)壓力脈動(dòng)的波形、幅值及頻率的變化規(guī)律,量化分析了空化加劇過(guò)程對(duì)LNG潛液泵內(nèi)低頻脈動(dòng)的影響,揭示了空化工況下LNG潛液泵內(nèi)部壓力脈動(dòng)特征。研究結(jié)果表明,隨著流量的增大,各水力部件內(nèi)的壓力脈動(dòng)周期性變強(qiáng),幅值減小。隨著汽蝕余量的降低,各過(guò)流部件內(nèi)壓力脈動(dòng)頻域出現(xiàn)低頻信號(hào),且低頻信號(hào)幅值不斷增加?？栈瘜?duì)初級(jí)葉輪內(nèi)壓力脈動(dòng)的影響大于次級(jí)葉輪。當(dāng)發(fā)生臨界空化時(shí),誘導(dǎo)輪及初級(jí)葉輪內(nèi)壓力脈動(dòng)的低頻信號(hào)幅值增加且超過(guò)葉頻,成為主要頻率。隨著汽蝕余量的減小,兩級(jí)葉輪徑向力的值均呈先減小后增大的趨勢(shì),且兩級(jí)葉輪中徑向力的最大值以及最大