吕程辉，肖志远，甘正林

LNG潜液泵推力平衡机构的设计

吕程辉，肖志远，甘正林

针对LNG潜液泵轴向力平衡问题，分析推力平衡机构的工作原理，提出一种推力平衡机构关键尺寸的计算方法，并根据该计算方法设计Ⅰ型泵的推力平衡机构，分析得到推力平衡机构尺寸与泄漏量的关系，结果表明，推力平衡机构的平衡腔的内径或外径增大时，泄漏量增大。

液化天然气；潜液泵；推力平衡机构；轴向力；泄漏量

目前，我国正在大力发展LNG产业，预计到2020年中国天然气基础设施的投资累计达2 000多亿元[1]。LNG在整个产业链中的转运都需要使用LNG输送泵。由于LNG温度低且易燃易爆，LNG输送泵的密封性能、电气安全性能、可靠性等要求更高。目前常见的LNG输送泵大多为潜液泵。

LNG潜液泵的叶轮和电机转子同轴，均浸没在LNG中。泵的轴向力过大会导致轴承磨损，影响泵的寿命和维修周期，因此推力平衡机构的设计是LNG潜液泵的关键技术之一。

1 工作原理

目前，轴向力的研究集中在普通的离心泵，通常采用在叶轮后盖板上设置密封环，同时在叶轮轮毂处开平衡孔或在盖板上增加背叶片来平衡轴向力[2]，相关论文对轴向力进行了计算[3-4]。但由于传统的方法不能完全平衡轴向力，因此LNG潜液泵采用的轴向力平衡方法和传统方法不同，目前相关研究成果也不多，大多为原理性质[5-6]。图1为LNG潜液泵中常用的两种推力平衡机构。

Ⅰ型推力平衡机构和末级叶轮一体，随转子一起旋转，推力平衡机构和叶轮上部磨损环形成固定径向间隙，和静推力盘形成可变轴向间隙。其工作原理如下：由于推力平衡机构的上部磨损环直径大于下部磨损环直径，因此潜液泵工作过程中受到液压合力竖直向上，使转子组件向上移动，导致推力平衡机构和静推力盘之间的轴向间隙减小，平衡腔的压力增大。当平衡腔的压力增大至大于液压合力时，转子部件又向下移动，推力平衡机构和静推力盘之间的轴向间隙增大，平衡腔压力减小。经过推力平衡机构反复连续的自调节，可以使泵的轴向力完全平衡[7]。

Ⅱ型推力平衡机构为平衡鼓结构，装在末级叶轮之后，随转子一起旋转，平衡鼓和轴承座形成固定径向间隙，和挡板形成可变轴向间隙。其工作原理如下：由于叶轮前后盖板不对称，前盖板在吸入口部分没有盖板，且潜液泵为立式布置，因此潜液泵工作过程中叶轮受到的液压合力竖直向下。此时，轴向可变间隙最大，且挡板下方和出口相通，为高压液体，因此高压液体通过轴向间隙进入平衡腔，使转子组件向上移动，导致平衡鼓和挡板之间的轴向间隙减小，平衡腔的压力减小。当平衡腔的压力减小至小于叶轮受到的液压合力时，转子部件又向下移动，平衡鼓和挡板之间的轴向间隙增大，平衡腔压力增大。经过平衡鼓反复连续的自调节，可以使泵的轴向力完全平衡。

2 计算方法

采用Ⅰ型推力平衡机构。其计算原理见图2，推力平衡机构的总压差Δp等于径向间隙压差Δp1和轴向间隙压差Δp2之和。

即Δp=Δp1+Δp2，Δp1=Δp3-Δp4，Δp2=Δp4-Δp5

定义灵敏度k=Δp2/Δp，计算时通常采用校核计算的方法，先根据经验初步确定R3和R4，假设进口压降系数φ=0.3～0.4计算R5，平衡盘计算完成后校验φ值，应与假定值相符，否则重新假定进行计算。最后校核k值和相对泄漏量，k值应在0.3～0.5范围内，相对泄漏量应小于5%，否则重新假定尺寸进行计算。

2.1 轴向力计算

1)前盖板力A1。作用在前盖板的压力，上部磨损环以外部分的压力与后盖板对称作用的压力相互抵消，因此在计算前盖板力时，只计算上部磨损环至下部磨损环之间的压力。

假设盖板两侧腔的液体无泄漏流动，并以叶轮旋转角速度之半ω/2旋转[8]，则半径R处的压头为

叶轮出口势扬程

叶轮前盖板任意半径R处，作用的压头差为

因此前盖板轴向力A1

2)动反力A2。液体通常沿轴向进入叶轮，沿径向或斜向流出。液体受到叶轮作用力，使液流通过叶轮时方向发生变化。反之，液体给叶轮一个大小相等方向相反的反作用力，该力即为动反力，指向叶轮后面。由动量定理

3)重力G。由于潜液泵为立式布置，因此要考虑转子组件的重量。

4)后盖板力F。作用在后盖板的压力，上部磨损环以外部分的压力与前盖板对称作用的压力相互抵消，因此在计算后盖板力时，只计算上部磨损环以内的压力。

为了计算作用在后盖板上的力，必须首先假设后盖板表面上压力的变化规律。假定后盖板R3～R4部分作用的压力等于常数p4，轴承处容腔压力为p5，后盖板轴向间隙中的压力按直线从p4-φΔp2变化到p5。其中φΔp2是轴向间隙进口压力降(由进口损失和产生速度头两部分形成)，φ是进口压降系数。

后盖板力可按两部分计算。其一是R3～R4部分的作用力

其二是R4～R5部分的作用力F2，假定后盖板轴向间隙中的压力按直线规律变化，则间隙部分任意半径R处的压差δp，由比例关系

因此后盖板力为

2.2 阻力系数

1)径向间隙阻力系数

2)轴向间隙进口阻力系数。轴向间隙进口压降可以认为由形成进口速度的压降和液流突然收缩引起的不可回收的损失两部分组成

3)轴向间隙阻力系数

2.3 泄漏量

通过径向间隙的泄漏量为

通过轴向间隙的泄漏量为

通过轴向间隙和径向间隙的泄漏量相等，通常先确定轴向尺寸，再根据上面两个公式确定径向间隙长度。

3 应用实例

3.1 推力平衡机构设计

以某一型号LNG潜液泵为例，已知：流量Q=425 m3/h，扬程H=165 m，转速n=3 580 r/min，水力效率ηh=0.87，容积效率ηv=0.92，介质为LNG，ρ=500 kg/m3，单级叶轮，轮毂半径Rh=25 mm，叶轮进口磨损环半径Rm=100 mm，叶轮进口半径R1=80 mm，叶轮出口半径R2=159 mm。

计算过程如下。

1)前盖板力。叶轮旋转角速度ω=374.7 rad/s；理论扬程Ht=189.7 m；势扬程Hp=140.1 m；初步选择上部磨损环半径R3=128 mm；则前盖板力A1=11 640 N，方向竖直向上。

2)动反力。叶轮出口轴面速度与轴线方向垂直，ε=90°；动反力A2=453 N，方向竖直向上。

3)重力。转子组件重量约2 300 N，方向竖直向下。

4)后盖板力。后盖板力和前面3个力平衡，计算得到F=9 793 N，方向竖直向下；

6)泄漏量。泄漏量q=1.53 L/s；选择圆角系数η=0.4，径向间隙b1=0.2 mm，通过泄漏量相等公式计算得到径向间隙长度L1=97 mm。

相对泄漏量q/Q=1.3%<5%，满足要求。

上述计算表明,压降系数φ值、灵敏度k值、相对泄漏量均满足要求，因此推力平衡机构的设计合理。

3.2 推力平衡机构尺寸对泄漏量影响

推力平衡机构对泄漏量有影响的尺寸参数主要有平衡腔外径D3、平衡腔内径D4，径向间隙长度L1，轴向间隙长度L2，径向间隙b1，轴向间隙b2。其中，径向间隙b1和轴向间隙b2通常根据工艺条件确定，轴向间隙长度L2根据平衡腔内径和压降系数确定，径向间隙长度L1根据泄漏量相等公式得到，因此平衡腔外径D3和内径D4是影响泄漏量的关键参数。下面通过计算说明平衡腔外径和内径对泄漏量的影响。

1)平衡腔内径对泄漏量的影响。保持R3=128 mm，L2=15 mm，更改R4尺寸，计算得到轴向间隙压差Δp2和泄漏量，见图3。

由图3可见，轴向间隙压差和泄漏量均随R4的增大而变大。当平衡腔内径增大时，前盖板力不变，平衡腔的面积变小，因此平衡腔的压力变大，轴向间隙压差变大，泄漏量变大。

2)平衡腔外径对泄漏量影响。保持R4=75 mm，L2=15 mm，更改R3尺寸，计算得到轴向间隙压差Δp2和泄漏量，见图4。

由图4可见，轴向间隙压差和泄漏量均随R3的增大而变大。当平衡腔外径增大时，前盖板力变大，平衡腔的面积也变大，但外径尺寸变大对前盖板力的影响更大，因此平衡腔的压力变大，轴向间隙压差变大，泄漏量变大。

在设计推力平衡结构时，应在满足轴向力平衡的同时，使泄漏量尽量小，但同时要考虑潜液泵中的电机和轴承的冷却流量需求，防止电机和轴承的温升过高导致LNG气化，因此泄漏量不能过小。

4 结论

1)对LNG潜液泵的推力平衡机构的原理进行了分析，提出了Ⅰ型推力平衡机构的计算方法，对推力平衡机构的设计有一定指导意义。

2)设计了Ⅰ型泵的推力平衡机构，经校核，压降系数、灵敏度和相对泄漏量均满足要求。

3)研究了推力平衡机构尺寸对泄漏量的影响。结果表明，当推力平衡机构的平衡腔的内径或外径增大时，轴向间隙压差和泄漏量增大。

4)在设计推力平衡机构时，应同时满足轴向力平衡和电机、轴承冷却流量需求，泄漏量尽量小。

[1] 孙晓玲，刘忠明，张燕.液化天然气潜液泵的研制[J]．低温工程，2010(2)：20-23.

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[3] 施卫东,李启锋,陆伟刚,等.基于CFD的离心泵轴向力计算与试验[J]．农业机械学报，2009，40(1)：60-63.

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[8] 关醒凡.现代泵技术手册[M]．北京：宇航出版社，1995.

(武汉船用机械有限责任公司，武汉 430084)

Design of Thrust Equalizing Mechanism for LNG Submerged Pump

LV Cheng-hui, XIAO Zhi-yuan, GAN Zheng-lin

(Wuhan Marine Machinery Plant Co., Ltd, Wuhan 430084, China)

To solve the problem of axial force in LNG submerged pumps, the working principle of thrust equalizing mechanism (TEM) for the LNG submerged pump was analyzed, and a method of calculating key dimensions of TEM was put forward. One type of TEM was designed. The influence of TEM’s dimensions on leakage was studied. It was shown that when the inner diameter or the outer diameter of the equalizing chamber increases, the leakage increases.

LNG; submerged pump; thrust equalizing mechanism (TEM); axial force; leakage

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.01.011

2016-07-14

国家发改委项目(发改委高技[2015]1409号)

吕程辉(1990—)，男，硕士，助理工程师研究方向:低温泵

U664.5

A

1671-7953(2017)01-0045-04

修回日期：2016-08-24