高溫高壓流程泵的壓力脈動及流-固-熱多物理場耦合研究.pdf

1、石油化工流程泵在石化生產(chǎn)流程中應(yīng)用最廣泛，是石油化工生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備。由于運行工況惡劣，對設(shè)備的要求比較高。高溫高壓流程泵又是生產(chǎn)裝置中的核心設(shè)備，由于存在高溫和高壓的雙重作用，對泵的可靠性提出了更高的要求。
　　 高溫高壓流程泵輸送高溫高壓液體，其內(nèi)部流動比較復(fù)雜。由于動靜干涉的作用而產(chǎn)生的壓力脈動會引起泵過流部件的振動，影響其穩(wěn)定性;復(fù)雜的內(nèi)部流動與泵的過流部件之間存在著相互作用，包括熱量的傳遞與水力激勵作用;熱量的傳遞既會影

2、響泵的過流部件的溫度分布，又會產(chǎn)生熱載荷;系統(tǒng)高壓、水力激勵與高的熱載荷的共同作用將使結(jié)構(gòu)發(fā)生變形并產(chǎn)生較大的應(yīng)力。
　　 本文研究就是依托10萬噸/年硝酸生產(chǎn)裝置中鍋爐循環(huán)泵，泵輸送是250℃高溫水，入口壓力高達4.1MPa。對高溫高流程泵的內(nèi)部流場的壓力脈動進行了研究，同時對其全流場和葉輪、泵蓋、泵體的溫度場及結(jié)構(gòu)場實現(xiàn)單向耦合計算，得出耦合作用下葉輪、泵蓋和泵體的溫度分布及應(yīng)力應(yīng)變情況。主要工作及研究成果有:
　　

3、 (1)對流程泵進行了定常全流場模擬計算，以此結(jié)果作為非定常流場和流、固、熱耦合計算的初始條件。結(jié)果表明:大流量工況的流線的穩(wěn)定性要優(yōu)于小流量工況，雙蝸殼結(jié)構(gòu)流道使葉輪流道及蝸殼螺旋線區(qū)域內(nèi)的流體相對速度分布接近對稱，從而會很好的平衡徑向力;在整個流場內(nèi)，流體溫度分布比較均勻，但在流固耦合面附近有著明顯的溫度梯度，這種溫度梯度隨著流量的增加變得明顯;泵的性能滿足生產(chǎn)工藝要求，泵效率達到80.14％;數(shù)值模擬性能預(yù)測與泵試驗性能進行了對比

4、，設(shè)計點附近，揚程的相對誤差不超過1.5％，效率的相對誤差不超過7％，驗證了數(shù)值模擬的可靠性與準(zhǔn)確性。
　　 (2)對流程泵內(nèi)部流場進行了非定常數(shù)值模擬，結(jié)果表明:葉輪和蝸殼的內(nèi)部流場隨著葉輪的旋轉(zhuǎn)呈現(xiàn)交替性、周期性變化，非定常特性很明顯，瞬時揚程是按周期波動的，壓力波形具有明顯的周期性;壓力脈動主要是由旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子與靜止的定子間的動靜干擾作用引起的，各工況下壓力脈動頻率均以葉片通過頻率為主，且隨著流量增大，主頻幅值增大，脈動能量

5、主要集中在低頻區(qū)。
　　 (3)利用Ansysworkbench平臺進行了流場-溫度場-結(jié)構(gòu)場的單向耦合計算，對葉輪、泵蓋和泵體進行了熱分析及靜應(yīng)力分析，結(jié)果表明:對于整個葉輪而言，葉片溫度最高，輪轂最外端的內(nèi)側(cè)溫度最低:葉輪熱流密度分布得很均勻，輪轂外端的內(nèi)側(cè)有較高的值。葉片與后蓋板的交匯處有應(yīng)力集中區(qū)域，因此葉片與蓋板的交匯處最容易疲勞斷裂，在泵運行時，由熱載荷引起的葉輪總變形對葉輪變形起主導(dǎo)作用;由流體壓力，重力及離心慣性