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液化天然气(LNG)、液化石油气(LPG)、液氮（LN2）等易汽化低温介质的输送常用低温屏蔽泵。解决好低温屏蔽泵轴向力平衡、汽蚀问题、材料在低温下的脆性等问题是其可靠运行的关键。由于低温介质受热易汽化及冷却液流经过屏蔽套间隙压力损失严重，很可能在冷却循环流道内介质发生汽化而堵塞流道；低温屏蔽泵转动零部件处于低温、高压环境中，承受着热负荷和压力负荷的综合作用。分析低温屏蔽泵整个流道内液流的温度和压力变化情况，研究转子部件的温度场、结构强度和变形，对提高低温屏蔽泵可靠性和结构优化等具有重要意义。
本文参照国外输送易汽化介质的低温屏蔽泵结构，设计了一台高压冷却循环回路形式的LNG高速屏蔽泵，完成了叶轮和诱导轮的设计及轴向力自动平衡装置的设计计算。首次对包括循环回路和轴承间隙在内的全流场进行流热耦合计算，分析其汽蚀性能；同时，采用单向流-热-结构耦合场分析方法，对转动部件的温度场、应力分布和变形进行了研究。主要研究内容及创新点有：
(1)根据低温屏蔽泵的技术参数和使用情况，参照国外同类型泵结构，设计增压外循环型低温屏蔽泵，包括诱导轮、主叶轮、循环叶轮的设计计算。
(2)设计轴向力自动平衡机构，结合屏蔽电机冷却润滑循环回路的设计，计算液流流经口环间隙、引液孔、轴承间隙、屏蔽套间隙等部位的压降损失，得出泵在设计工况点的轴向力和冷却循环流量。确定屏蔽电机的涡流损耗、转子与液体的摩擦损耗等电机损耗发热，结合LNG温升限制的要求，计算确定最小冷却循环流量，并以此调整引液孔直径、口环半径等结构参数，使屏蔽泵满足轴向力平衡和温升限制的要求。
(3)考虑温度变化对低温介质性能参数的影响，对包括叶轮前后泵腔、平衡间隙和冷却循环回路在内的低温屏蔽泵全流场进行流热耦合数值计算。分析不同工况下诱导轮叶片表面的压力分布和空泡体积分布情况；得到轴向力、平衡孔泄流量和冷却循环流量的变化与泵流量的关系，同时得到温升最大区域屏蔽套间隙内介质的温度、压力分布以及冷却液流和电机之间的对流换热信息。结果表明，高压冷却循环回路能满足低温高速屏蔽泵输送易汽化介质的要求，整个流道内不会发生汽化现象。
(4)在全流场流热耦合计算得到流场压力和流场温度结果的基础上，利用间接耦合计算方法，将压力和温度载荷传递到转子结构的表面上，进行诱导轮、主叶轮和循环叶轮结构的流-热-结构耦合场有限元分析，得到不同工况下诱导轮、主叶轮和循环叶轮在温度和压力载荷下的应力分布和变形。结果表明：适当加大轴孔和轴的配合间隙，可避免在轮毂上产生较大的干扰应力，在计算的各个工况下转子部件满足强度要求。