lng潜液泵设计 制冷与低温技术原理课程设计

LNG潜液泵设计目录第一章LNG潜液泵设计概述111泵的结构和性能特点112泵的主要零部件1121叶轮1122吸水室2123压出室2124密封环3125轴向力平衡机构313泵的水力设计方法3131模拟设计法3132变型设计法3133速度系数设计法414关键问题的解决4141气蚀问题的解决4142热应力问题的解决5第二章LNG潜液泵的设计技术指标5第三章LNG潜液泵的基本设计与计算531泵的基本参数的确定5311泵进出口流道直径的确定6312泵的出口直径的确定6313泵转速的确定6314泵比转速的计算8315计算泵的效8率632叶轮主要参数的选择和计算10321轴径和轮毂直径的计算10322确定叶轮进口速度12323确定叶轮进口直径12324确定叶轮出口直径132325确定叶轮出口宽度142326确定叶片厚度S14327确定叶轮出口圆周速度15328确定叶轮叶片数Z15329确定叶片的出口安放角1623210确定叶片包角163211叶片绘16型933压水室的水力设计19331压水室概述19332压水室的设计2034吸水室的水力设计22341概述22342吸水室的设计23第四章泵的轴向力、径向力计算及平衡2441轴向力的计算及平衡24411轴向力的产生24412轴向力的计算25413轴向力的平衡2742径向力的计算及平衡28421径向力的计算28422径向力的平衡29第五章低温潜液泵电机的选择3051低温潜液泵电机的相关问题解决3052电机的选择3153电缆的选择3254电气连接处的密封32第六章泵主要零部件的强度计算3361叶轮强度计算33611叶轮盖板33612叶片厚度3362轴承的选择34第七章泵的各零部件材料的设计3571奥氏体不锈钢3572镍基硬质合金3573等离子堆焊技术3674深冷处理3775冲击试验3776拉伸试验38参考文献38第一章LNG潜液泵设计概述11泵的结构和性能特点作为整个LNG加气站的动力装置，LNG低温泵其性能要求最主要是耐低温且绝热效果好，以及承受出口高压。其次是气密性和电气方面的安全性能要求比普通泵高很多。低温泵必须有足够的压力和流量范围，以适应不同级别的汽车LNG储存系统要尽可能减少运行时产生的热量，以防止引发LNG气化；不可出现两相流，否则会造成泵的损坏。LNG汽车加气站用潜液泵主要由泵、泵夹套和电机组成，其结构如图1所示。采用离心式结构体，转速高、重量轻，这种高速离心式LNG潜液泵采用屏蔽电机一体轴配装泵体、叶轮、导流器、诱导轮等部件，通过变频控制器控制电机的转速。其结构设计为屏蔽电机和泵体全部浸没在低温液体中，达到零泄漏的方式。图11LNG汽车加气站用潜液泵结构图12泵的主要零部件121叶轮叶轮是将来自原动机的能量传递给液体的零件，液体流经叶轮后能量增加。叶轮一般由前盖板、后盖板、叶片和轮毂组成。图12A所示，这种叶轮叫闭式叶轮；如果叶轮没有前盖板，就叫半开式叶轮，如图11B所示。没有前盖板、也没有后盖扳的叶轮叫开式叶轮，开式叶轮在一般情况下很少采用。图12叶轮A闭式叶轮B半开式叶轮122吸水室吸水室的作用是使液体以最小的损失均匀地进入叶轮。吸水室主要有三种结构型式，锥形管吸水室、圆环形吸水室和半螺旋形吸水室。123压出室压水室的作用是以最小的损失，将从叶轮中流出的液体收集起来，均匀地引至泵的吐出口或次级叶轮,在这个过程中，还将液体的一部分动能转变为压力能。压水室主要有以下几种结构型式螺旋形涡室、环形压水室、径向导叶、流道式导叶和扭曲叶片式导叶等。离心泵的叶轮、吸水室、压水室以及泵的吸入口和吐出口称为泵的过流部件。过流部件形状和材质的好坏是影响泵性能、效率和寿命的主要因素之一。124密封环由于叶轮旋转时将能量传递给液体，所以在离心泵中形成了高压区和低压区。为了减少高压区液体向低压区流动，在泵体和叶轮上分别安装了两个密封环。装在泵体上的叫泵体密封环，装在叶轮上的叫叶轮密封环。密封环磨损后应能很容易地更换。125轴向力平衡机构泵在运行中由于作用在转子上的力不对称就产生了轴向力。一般离心式单级泵主要采用平衡孔或平衡管平衡轴向力；多级泵一般用平衡鼓或平衡盘平衡轴向力。本设计中，轴向推力的平衡采用了推力平衡机构THRUSTEQUALIZINGMECHANISM，TEM来平衡轴向推力，径向力的平衡采用对称扩散器叶片来实现。13泵的水力设计方法在工程上，离心泵的设计基本上应用一元流动模型等设计方法。一下简述离心泵的水力设计几种常用的方法，这些设计方法均基于一元流动的假设。131模拟设计法这是一种根据相似理论而推导出的设计方法。基于欧拉方程，对于两个几何相似的离心泵，其性能完全相似的充分必要条件是两个相似数相等。对于粘性流动来说，还需要雷诺数相等。例如，相似准则为34（11）2（12）式中，D为特征直径，为体积流量，H为扬程，N为转速。下标M为模型泵，P为原型泵。在具有优良的水利模型条件下，这是一种简单可靠的方法。132变型设计法这是一种变型的模拟设计法，是对现有的性能优良的泵，通过局部改变其几何参数，取得所需要泵的性能。典型的几何改变有1）改变入口几何参数，例如进口直径，以改变流量特性；2）改变叶片出口角及叶片数，以改变扬程；3）改变叶轮盖板间的出口宽度，以改变流量；4）改变涡壳式多级泵导叶喉部面积，以改变流量特性；5）切割叶轮外径，以改变扬程及流量等；6）修正叶片进口端机出口端等。133速度系数设计法速度系数设计法其实质也是一种相似设计法。所不同的是相似换算法是以一台模型泵为基础，而速度系数法则以一系列相似泵为基础。以现有性能较好的产品为基础统计出来的各种流速的速度系数图。设计时按N选取速度系数，作为计算水力尺寸的依据，这种设计方法叫速度系数设计法。STEPANOFF早于1948年就提出了利用比转速规律进行水力设计的设计系数法，在统计大量实测资料的基础上提出了著名的STEPANOFF速度图，国内于80年代初曾对部分优秀模型进行了统计，90年代初，张俊达和何希杰等对近年来的优秀模型进行了重新统计，提出了一些系数和规律。用速度系数法设计产品时，虽然设计计算比较简便，但是产品只能保持原有的水平。因此，在采用速度系数设计法设计产品时，应结合模型实验，不断创造新的优秀的模型，并将这些模型的速度系数充实到速度系数曲线中去，才能不断提高产品技术水平。14关键问题的解决141气蚀问题的解决气蚀问题的解决为了防止在泵的吸入口产生气蚀，减少流体在吸入口的阻力，在吸入口设置了螺旋状导流器。整个泵安装在一个不锈钢容器内，不锈钢容器具有气、液分离作用，按照压力容器标准制造。泵的吸入口位于较低的位置，保证吸入口处于液体中。螺旋状导流器和不锈钢容器的应用，使得LNG泵能够达到应有的净吸入压头，有利于改善水利特性，降低泵对净吸入压头的要求，防止在泵的吸入口产生气蚀。142热应力问题的解决LNG潜液泵启动时，热应力的作用可能会导致泵出现裂纹和抱死不能转动等现象而损害泵。为了防止这种现象，结构上可以采用悬壁型，使得在低温环境下整体向顶部收缩，泵体配合部位选用热膨胀系数相近的材料，避免低温环境下收缩程度不同产生抱死裂纹现象；同时通过温度传感器实时监控泵出口温度，根据出口温度温度显示，调整泵前后阀门，控制泵预冷时间，实验表明这种方法解决热应力问题时显得相当有效。第二章LNG潜液泵的设计技术指标用于LNG汽车加气站的液化天然气泵一种潜液式LNG多级离心泵。该泵将满足流量大，出口压力高的要求，结构和整体性能良好，可广泛应用于各种低温工艺过程中如LNG液化天然气汽车加气站、LNG接收站、管道输送、充装LNG运输槽车和液氮、液氩的输送系统等。液化天然气泵主要设计技术指标如下类型潜液式低温离心泵设计温度196电机参数380V/50HZ三相电机功率11KW设计流量12H折合液态流量3设计扬程220M工作转速1500R/MIN6000R/MIN级数2级NPSHR14M输送介质使用状态为LNG，试验状态为液氮外形尺寸615MM470MM1294MM（泵夹套长宽高）。第三章LNG潜液泵的基本设计与计算31泵的基本参数的确定311泵进出口流道直径的确定泵的进口直径由进口速度确定，即D1V14（31）式中泵的设计流量，H；3泵的入口速度，M/S，可取3M/S左右，对于高汽蚀性能要求的泵，进口流速可以取到1022M/S，或按下表取值。表31泵进口流速的选择进口直径40506580100150200250300400单级1375177212763532832152836251252550100180300500多级13751772125432442482542843426521252546851552804507201500代入数据计算得49MM1取50MM，计算实际进口流速17M/S1312泵的出口直径的确定泵的出口直径可取与相同，或小于,即211207101（32）式中为泵出口直径，MM。2故075035MM2313泵转速的确定1确定泵转速N应考虑以下因素泵的转速高，体积小，质量轻，离心泵应向高转速方向发展；2转速与比转速成正比,为提高效率，应选择合适的比转速，从而可以确定合理的转速；3计算空化比转速C56234（33）式中为泵的必要空化余量。对于一定的C值，如提高转速N，则加大，当大于给定的装置空化余量时，即会发生空化及空蚀。当泵是几何相似和运动相似时，C值等于常数，所以C值可以作为汽蚀相似准数，并标志抗汽蚀性能的好坏，C值越大，泵的抗汽蚀性能越好，对应不同的C值，所以C通常是指最高效率工况下的值。C值的大致范围是对抗汽蚀性能高的泵C10001600，取C1200。必要空化余量可用下式计算（1113）（34）或式中K值一般取0305M为装置汽蚀余量，是由泵的吸入装置提供的，表示在泵的进口处单位重量液体具有的超过汽化压力水头的富余能量。它主要与装置参数和液体性质有关。（35）式中吸入液面的气压，PA；泵的几何安装高度，也就是几何吸水高度，当液面高度于泵的安装高度时为负值，M；气化压力，PA；吸入管的水力损失，PA。本设计中，设计参数汽蚀余量为14M，故取4M40337M根据C值及可以计算空化条件所允许的泵的转速盖板厚度/MM4567据本设计的叶轮直径选择盖板厚度为4MM。612叶片厚度为了扩大水泵叶轮流道的有效过流面积，希望叶片越薄越好；但如果叶片选择得太薄，在铸造工艺上有一定的困难，而且从强度方面考虑，叶片也需要有一定的厚度。叶片也不能选择得太厚，叶片太厚要降低泵的效率，恶化泵的防汽蚀性能。叶片厚度SMM可按下列经验公式计算21（61）式中K经验系数，与材料和比转数有关，不同材料的系数K推荐直按表62选取；叶轮外径，M；D2单级扬程，M；HZ水泵叶轮叶片的数目。表62叶片厚度经验系数K比转数材料60708090130190280铸铁353840456710铸钢32333435568叶片材料选择为铸钢，查表62，得K30，所以，2130017811091287取叶片的厚度为3MM。62轴承的选择轴承是用来支撑转子零件，并承受作用在转子上的各种载荷。根据轴承中摩擦性质的不同，轴承可分为滑动摩擦轴承（简称滑动轴承）和滚动摩擦轴承（简称滚动轴承）两类。每一类轴承又可按照所承受的载荷方向而分为向心轴承（支撑径向载荷）和推力轴承（支撑轴向）两种。采用滚动轴承的原因是功率损失小，轴向尺寸小，寿命长，润滑剂消耗少和维护方便。滑动轴承使用于各种大小的高速泵。有时为了降低噪声，也可以使用滑动轴承。立式泵中浸于被输送液体中的轴承，通常都做成滑动轴承。本设计为潜入式离心泵，泵体浸入LNG液体中，故选用滑动轴承。第七章泵的各零部件材料的设计液化天然气是一种不同于常规流体的一种特殊的低温流体，在选择泵体各零部件材料时必须要综合考虑163的工作温度和LNG的特性。由于工作温度能达到163的超低温，金属零部件必须进行深冷处理，以稳定材料的金相组织，消除可能存在的低温变形，使材料在服役过程中，不会出现突然的失效。常见的一些金属材料，在很低的温度下其强度和韧性可能会有所变化，故不能使用。本设计选用AISI304奥氏体不锈钢作为LNG潜液泵的主要材料，并采用等离子堆焊机在AISI304奥氏体不锈钢表面分别堆焊NI40和NI60合金粉末的焊接技术。71奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢是指组织状态为奥氏体的不锈钢，奥氏体不锈钢的CR大于18，NI含量为810，还含有适量的C、TI、N等元素。因为CR和NI的含量比较高所以奥氏体不锈钢的价格比较贵。奥氏体是面心立方结构，所以不具有磁性。它还具有高的塑性，容易加工成各种形状的钢材，加热时不会出现同素异构转变所以焊接性比较好。除此，奥氏体不锈钢还具有抗高、低温，抗氧化，抗腐蚀等特点。奥氏体的热处理一般包括固溶处理和稳定化处理。奥氏体不锈钢是面心立方结构，低温性能良好，在196以上没有韧脆转变温度，没有低温脆性，在低温下依然具备很好的塑韧性。72镍基硬质合金难熔的金属化合物和粘结金属粉末通过冶金过程结合在一起的材料就是硬质合金，高硬度、耐腐蚀、耐热、耐磨是硬质合金主要的特点，被广泛的用作加工刀具的原材料。目前研究比较多的合金体系有FE基合金、CO基合金、NI基合金，比较常见的硬质合金的类型和用途见表71。表71硬质合金的用途合金种类用途CO基合金耐磨损、耐腐蚀NI基合金耐金属与金属磨损FECR合金耐高应力腐蚀马氏体不锈钢高耐磨性CU基合金修复磨损的机械镍基合金主要元素是铬、钼、钨，还有少量的铌、钽和铟。除具有耐磨性能外，还具有抗氧化、耐腐蚀、焊接性能良好等特点。可制造耐磨零部件，通过堆焊和喷涂工艺将其熔敷在其他材料表面改善材料表面的性。镍基合金粉末包括自熔性与能12非自熔性合金粉末。非自熔性镍基粉末是不含B、SI元素或这两种元素含量较低，广泛应用于等离子弧堆焊和火焰喷涂。73等离子堆焊技术等离子堆焊是以等离子弧作为热源，高温热源把粉末焊料和母材表面熔化，使焊材在母材表面凝固形成冶金结合。等离子堆焊技术是表面强化的一种方式，通常堆焊层具有高的硬度、高的耐磨性和耐腐蚀性。等离子堆焊技术应用的发展从50年代主要用于修复到60年代的表面强化和表面改性，到80年代的制造业，再到等离子堆焊的智能控制和可堆焊材料的多样化。近几年各学者已经把堆焊材料扩展到陶瓷材料和复合材料，可谓发展迅速。和传统的堆焊技术相比，等离子弧堆焊技术具有表72的特点。表72传统堆焊与等离子堆焊的比较焊接方法生产率焊材使用量精加工程度稀释率传统堆焊技术低多复杂大等离子堆焊高少简单小74深冷处理深冷处理又叫做超低温处理，它是热处理工艺冷却过程的延续，普通冷处理的温度约为100以上，而深冷处理的处理温度为100以下。有的文献表明，深冷处理的温度是在130或160以下，对于深冷处理的温度的界限目前还没有统一的观点。各国科学家对深冷处理的研究得出结论深冷处理可以提高材料耐磨性，可以提高硬质合金的硬度和强度、冲击韧性和磁矫顽力，但会使其磁导率下降。所以本设计使用的材料均需采用深冷处理。75冲击试验材料在低温下服役最重要的性能指标就是低温冲击韧性，通过常温和低温下的冲击试验确定AISI304及AISI304表面堆焊硬质合金在不同温度下的冲击韧性是非常有必要的。把AISI304加工成长度为55MM，横截面为10MM10MM的方型截面的标准冲击试样，在试样长度中间开V型缺口。将表面堆焊NI40和NI60硬质合金的AISI304按图71加工成冲击试样，堆焊层和母材厚度各为5MM，表面堆焊NI40硬质合金的试件分别在母材侧、堆焊层侧、堆焊层和母材搭接侧开V型坡口。表面堆焊NI60硬质合金的试件在母材侧开V型坡口。V型缺口夹角45，其深度为2MM，底部曲率半径为025MM。各组试样分别在常温、60、100、140和196温度下进行夏比V型坡口冲击试验。将