化工用低温液氢泵密封相变性能分析及验证

低温液氢泵在石油、空分等装置中起着输送低温产品的作用,低温泵用机械密封是确保低温泵安全运转、影响低温泵工作性能的关键因素。为满足低温泵用机械密封长期可靠使用的要求,采用动压型非接触式机械密封方案,建立考虑相变的流固热耦合数值分析模型,对低温液氢泵密封的相变和密封特性进行分析,给出密封端面结构的推荐值;并通过试验验证数值模型的正确性。

高压液氢泵行业研究现状及关键技术问题

将氢气液化,以液态氢的方式进行储运、加注是降低用氢总成本的重要方式之一,并有望成为未来面对更大用氢需求的更优选择。高压液氢泵作为液氢产业链中的核心设备,其国产化水平对于降低成本和提高产业链自主可控至关重要。为此,系统调研了高压液氢泵在加氢站的应用现状及国内外研发情况,分析了高压液氢泵研究中亟需解决的关键技术问题,提出了液氢泵国产化的技术攻关方向及主要路径。研究结果表明:①液氢加氢站主要有低压汽化压缩、液氢泵增压汽化和直接加注等3种技术模式,其中液氢泵增压汽化是液氢存储型加氢站的主流技术模式;②中国有关高压液氢泵研发的公开研究成果较少,高压液氢泵的国产化研发仍处在初级阶段,产品的稳定性和成熟度还有待验证;③高压液氢泵国产化研发亟需解决结构型式选择与设计、低温绝热性能、材料选择、活塞密封与泄漏控制等关键技术问题,并针对性地提出了液氢泵国产化的建议。结论认为,高压液氢泵设计需要在技术与性能,生产与维护之间综合考量,以确保其在极端低温环境下稳定、可靠运行;随着氢能产业的快速发展,氢能的跨境运输将成为现实,届时液氢将成为重要储运方式,高压液氢泵将在国际液氢物流运输船舶接收、储罐转注、液氢槽车充装、液氢加注等环节发挥更大的作用。

液氢加氢站用液氢泵静态漏热研究

往复式液氢泵是液氢加氢站的重要部件,是实现绿色交通的重要一环。液氢泵内充注着低温液氢,而外壳暴露在环境中,其换热损失不可忽略。以一款国产液氢加氢站用液氢泵为研究对象,通过理论分析的方法分析了液氢泵静态时由于辐射换热和导热导致的漏热量为34.96 W,约为0.3 kg/h的液氢蒸发量。建立了三维液氢泵导热模型,验证了导热计算的准确性。提出在结构允许的条件下,增大活塞和气缸的长度、改变泵池支撑的结构能有效降低液氢泵静态漏热。

高压液氢泵研究进展

高压液氢泵在加氢站中拥有巨大的应用潜力。由于液氢密度远大于气氢,高压液氢泵与氢气压缩机相比,在压缩功耗上有着显著优势。不过,高压液氢泵在压缩低温工质时面临着冷却、密封等技术难点,技术指标要求苛刻。为了寻找更好的解决方案,本文回顾了高压液氢泵数十年来的发展历程,期间出现的各式结构表明,解决冷却、密封问题可从以下方向着手:(1)增加夹套结构以增强泵缸外的冷却与绝热;(2)采用多腔室设计,实现预压缩与除去蒸发气体;(3)增强密封件性能。多种方式可以同时采用,不过需要注意成本与性能之间的取舍。本文还介绍了高压液氢泵的应用成果,总结了现有产品的技术特点,希望为高压液氢泵的研究与生产提供一些参考。

变螺距诱导轮对液氢泵空化性能的影响

以液氢泵内的空化流动为研究对象,构建了液氢泵内流动的数值模型。采用考虑热力学修正后的ZGB空化模型和标准湍流模型,对变螺距诱导轮对液氢泵空化性能的影响进行了数值模拟,获得了有无诱导轮对泵内叶片载荷、流道内温度分布规律以及空化现象的影响规律。结果表明:采用诱导轮提升了进入叶轮前的流体静压,降低液氢泵的临界空化数,拓展了泵的稳定工作范围。研究结果为优化液氢泵用诱导轮几何结构,提高液氢泵的抗空化性能提供了参考。

多级液氢泵设计及流场仿真

为了满足氢氧火箭发动机对高性能液氢泵的需求,完成了一台多级液氢泵的设计和建模,利用CFD技术进行流场仿真计算,获得了泵内关键部件的压力分布和速度分布,并对其内部流动状态进行了分析;在此基础上,对样机开展了额定工况下的水试试验。结果表明:试验结果与设计值接近,表明多级液氢泵能够满足设计要求。

往复式液氢泵研究现状及展望

往复式液氢泵适用于高压小流量条件下液氢的加注和输送,本文总结了往复式液氢泵的特点,包括往复式液氢泵的类型。针对往复式液氢泵关键技术,对减少低温漏热、保障阀门密封及活塞密封的结构设计和材料选择等进行了综述分析。介绍了往复式液氢泵的应用情况,对往复式液氢泵的设计、发展及应用情况进行总结和展望。研究结果可为往复式液氢泵的研发和应用提供一定的参考。

中间压力对往复式液氢泵容积效率的影响

通过理论计算研究了压缩过程绝热系数、中间压力对双级往复式液氢泵第二级容积效率的影响。计算结果表明,当无中间压力,入口压力为0.3 MPa,出口压力为45 MPa和90 MPa时,可能会出现容积效率为0,液氢泵呈现空转的现象。根据理论计算与分析得出结论,通过降低绝热系数、提高中间压力有助于提高容积效率,防止余隙容积内残余液氢在气缸吸液过程中汽化,更高的出口压力需要更高的中间压力以提高容积效率。

离心式液氢泵的动力特性与传热特性分析

对输运液氢的离心式液氢泵进行低温结构设计与动力单元分析,叶轮是速度能转变为压力能获得高压流体的重要部件,对离心泵的稳定输出特性有较大的影响。其中,转子(包括转轴和叶轮)是连动部件,也属于低温泵结构性传热部件。对应用于储运系统的某小流量高压头的离心式液氢泵的叶轮和转轴部件,进行功能分区,利用CFD内嵌模块对其进行数值计算。根据运行系统中输送载荷,对低温条件下的转子部件进行热-结构耦合瞬态应力应变分析,获得其动力特性;采用流固耦合方法,对叶轮区的流体域进行数值计算,分析不同流体载荷下叶轮表面应力分布;对低温离心泵轴-叶轮的传热区进行设计,分析低温-室温隔热效果,为离心式液氢泵的设计研发、结构优化和性能改进提供理论依据和参考。

小流量高扬程液氢泵水力优化和抗空化的结构设计

针对液氢在低温系统或低温储罐中输送的应用需求,依靠泵设计经验参数取值而设计的小流量高扬程液氢泵,相似定律转换为模型泵,试验测试其外特性得到:在额定工况下,与理论扬程相比,泵内存在6 m水力损失,同时,液氢总是处于近饱和状态,特别当泵前低温流体的进口压力降低或波动时,离心式液氢泵极易发生空化,造成扬程下降。以提高液氢泵的抗空化特性和提高泵水力效率为目标,建立小流量高扬程液氢泵的多目标优化设计方法,依据小流量高扬程液氢泵模型泵的外特性测试结果,对泵头的几何结构参数进行优化设计,结果表明:叶轮入口直径增大1.5 mm、直角的叶片进、出口安放角减小为60°、叶轮出口直径减小0.5 mm、叶片进口宽度减小0.1 mm,叶片出口宽度减小0.3 mm,减小流体出口间隙,有利于泵减小水力损失,提高泵效率,并改善泵的空化性能。本研究采用的计算方法为小流量高扬程液氢泵高效水力模型的优化设计提供参考,研究结果为小流量高扬程液氢泵的结构优化和获得工作特性的实验研究提供理论依据。

液氢涡轮泵孔型阻尼密封设计与性能评估

针对某液氢涡轮泵级间迷宫密封流体激振诱发转子涡动失稳问题,开展了孔型阻尼密封方案设计及密封泄漏特性和转子动力特性评估研究。通过不同密封间隙、孔径和孔深等关键几何参数的组合,共设计液氢孔型阻尼密封方案25种。采用定常CFD(computational fluid dynamics)数值预测方法,计算分析了密封间隙、孔径和孔深对液氢孔型阻尼密封泄漏量的影响规律;采用基于多频单向转子涡动模型、动网格技术和转子动力特性系数频域识别方法的非定常CFD摄动数值预测方法,计算分析了孔径和孔深对液氢孔型阻尼密封转子动力特性系数的影响规律。研究表明:液氢孔型阻尼密封的孔深和孔径的比值(密封孔深径比H/D)存在一个临界值(H/D=0.5附近),此时密封泄漏量最小;H/D<0.5时,液氢孔型阻尼密封泄漏量对孔深变化不敏感(小于4.5%);较大孔径的液氢孔型阻尼密封具有更小的有效刚度;较小孔深的液氢孔型阻尼密封具有更小的有效刚度和更大的有效阻尼;综合考虑液氢孔型阻尼密封泄漏特性和转子动力特性,液氢孔型阻尼密封应选取较小间隙、较大孔径和最佳深径比以内(H/D<0.5)的较小孔深。

LE-7液氢涡轮泵振动问题

1984年开始了LE-7发动机液氢涡轮泵研制。在研制型样机试验阶段初期,涡轮泵在通过第一或第二临界转速后发生了自激振动和次同步振动,因此对转动部件采取了以下几种设计更改: 1.轴承采用带金属网阻尼器的柔性轴承支座; 2.为了增加阻尼系数,在壳体和转子部件间的静密封处使用具有细槽的阻尼密封件; 3.通过加强中心杆螺栓的张力增加轴的刚度; 4.设计专用工具确保轴装配的直度,并检验其再现性。 1987年9月,LH_2涡轮泵终于在稳定条件下没有自激振动和通过第三临界转速时无次同步振动而成功地运转。

液氢活塞泵的发展现状与关键技术分析

随着我国氢能产业中液氢民用相关国家标准的发布,国内氢液化、储存、运输和加注等液氢产业链条进入高速发展时期。在液氢储运和加注环节,液氢泵是提高能效、降低成本并适用于液氢产业市场化和大规模应用的关键核心设备。总结了液氢泵在液氢产业化发展中的优势,介绍了液氢泵的发展现状。对液氢活塞泵结构进行了分析,给出了液氢流量、液氢排出压力、液氢泵容积效率和液氢蒸发损失量四个衡量液氢泵性能的关键指标。针对影响关键指标的关键因素,进一步分析和探讨了冷量损失抑制技术、机构磨损减少技术以及容积泄漏损失抑制技术等关键技术,对液氢活塞泵的性能改进进行了展望。

氢涡轮泵试验振动分析

防止共振和自激振动是转子动力学设计的基本要求，一般通过理论计算与实物试验相结合来解决，因此氢涡轮泵试验是氢涡轮泵研制工作的重要环节。振动特性是氢涡轮泵的重要参数，通过分析正常的和有故障的氢涡轮泵的试验数据，可以确定振动特性参数和发现可能存在的隐患，以便及早提出修改设计措施，保证研制工作的顺利进行。

氢涡轮泵转子对旋转失速的响应

旋转失速不仅降低液氢泵的流体动力性能，它所产生的压力脉动还可能激发氢涡轮泵转子和壳体的严重振动．氢涡轮泵转子对旋转失速的响应的特征量，存在与转速成正比且小于转速的响应频率，根据此特征可从泵后压力或振动频率识别旋转失速，以便修改设计。

发动机涡轮泵转子新型阻尼挠性支承的性能

高压补燃氢氧发动机的液氢 /液氧涡轮泵转子动特性研究需要准确的支承性能参数 ,因此在径向力小于 10kN ,轴承预紧力 980N～ 2 2 0 5N的范围内进行了新型阻尼挠性支承的性能研究。通过试验和计算 ,得到了折返式鼠笼挠性支承的变形特性、应力分布规律及其有限元计算模型、金属橡胶阻尼器的阻尼特性、成对双联轴承以及轴承预紧力等因素对支承系统性能的影响。

非设计工况下具有高流体动力稳定性的高速离心氢泵的设计探讨

论述了高速离心泵特别是高速氢泵流体动力稳定性的基本原理；提供具有较宽流量调节范围的高速离心泵几何参数选择方法，特别阐明了离心轮综合设计流量参数ｑｐ对泵压头－流量特性线形状的影响；介绍了高速离心泵压头－流量特性线的估算方法，并与我国氢泵试验结果进行了对比。还讨论了流体动力数值计算（ＣＦＤ）与氢泵空气模拟试验的问题，可以说ＣＦＤ和空气模拟试验是氢泵设计过程验证的可行方法。

先进运载系统用廉价涡轮泵机组的研制

文章讨论了降低未来先进运载系统的液体火箭主发动机涡轮泵机组造价的途径:简化结构,部件统一化,减少装配工序,采用廉价的材料和制造工艺。讨论结果认为未来的涡轮泵机组造价有可能比现在航天飞机所用涡轮泵机组的造价减低50％。

基于分布式控制技术的液态加氢系统研究与实现

随着氢燃料电池车的快速发展,与之配套的氢能基础设施—加氢站也与日俱增。液态储氢加氢系统通过优化加氢运行流程对液态存储、增压汽化以及加氢供气过程协调匹配,基于分布式控制技术实现了加氢站高压氢气快速充装气瓶,提高了能源利用效率。系统通过开展最优控制算法研究、液氢泵增压汽化试验验证和加氢供气试验验证,完成液氢泵增压汽化压力达到45MPa,加氢供气流速稳定控制(0~100)g/s等关键技术指标,实现系统自动控制、故障诊断报警及无人值守供等功能。