摘要：应用大型有限元仿真软件ANSYS，对LNG液力透平零件进行温度场和热膨胀分析。通过对外筒、内胆、壳体口环、叶轮口环等零件低温下热膨胀性能分析，确定所设计LNG液力透平在低温情况下热膨胀性能能够满足要求，保证该透平在低温情况下安全稳定运行。
关键词： LNG液力透平 低温降压装置 ANSYS有限元软件分析 温度场 热膨胀变形
1引言
目前，液化石油天然气接收站LNG降压装置中，多用J-T阀来降压，由于LNG介质低温、易爆、易燃、易汽化，应用J-T阀降压时，会造成大量介质汽化，经济性较低。采用带有真空保冷结构的LNG液力透平可代替J-T阀，应用高压的LNG介质带动多级减压叶轮，为LNG介质降压，避免多级减压孔板节流带来的高热量，造成介质汽化，产生浪费。于此同时透平发出电能，采用四象限变频回收并入电网。未来LNG液力透平将逐渐代替J-T阀，降低液化石油天然气接收站由于降压而产生的浪费，提高产能。因此，研究开发LNG液力透平技术非常必要，而LNG液力透平低温下的性能稳定性非常关键，采用ANSYS软件进行LNG液力透平零件材料低温性能分析，进行材料优化设计，提高设计可行性，增大LNG液力透平设备安全可靠性。
2、分析参数
2.1 泵的基本参数
透平计算的基本参数如表2-1所示：
表2-1. 计算参数
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2.2 材料物理特性
查询《ASME锅炉及压力容器规范》和参考API610-11th得到-161.52℃温度下其材料特性如表2-2所示：
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表2-2. 材料物理特性表
注：假设材质是连续的、均匀的、各向同性的。在载荷作用下，部件发生小变形，处于线弹性范围。
2.3 载荷分析
透平机组承受如下载荷：
1. 自重载荷：透平所在地的重力加速度取值g=9.8066m/s2；
2. 温度载荷：介质温度-161.52℃，将温度载荷导入结构模块，计算结构应力及变形位移；
2.4 边界条件
根据透平机组的安装连接支撑情况，在外筒底部底面处施加全位移约束。
3. 力学模型
3.1 几何模型
根据LNG液力透平结构设计图纸，建立透平整机三维几何模型，用于有限元分析。
3.2 有限元模型
本次分析使用大型通用有限元仿真软件ANSYS。本次分析采用实体单元20节点六面体单元186号和10节点四面体单元187号组合，整机网格单元数241295，节点数863163。
4. 温度场与热膨胀变形分析
4.1 温度场仿真计算
LNG液力透平整机温度场仿真计算结果见表4-1；各路径相对位置与坐标见表4-2；整机温度分布云图见图4-1~4-2
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4.2 热膨胀变形仿真分析
使用有限元分析软件对模型进行温度仿真计算，得到LNG液力透平的温度场分布，应用应力分析模块，通过仿真计算得到结构的热膨胀变形，整机热膨胀变形位移分布云图见图4-2。为确定叶轮口环与泵体口环之间间隙的变化趋势，本分析报告在第五级叶轮前口环与中段口环上端面逆时针方向取8个点对口环间隙的变化量进行分析，分析结果见表4-2.
表4-2 第五级叶轮口环与中段口环间隙变化趋势
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图4-1 Path9~Path13
图4-2 Path23~Path32
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5 结论
(1) LNG液力透平整机在自重与温度载荷共同作用下转子与泵体之间能保证一定的安全距离，保证转子与泵体之间不发生摩擦；
(2) 根据温度场仿真分析可知，LNG液力透平整机温度场分布情况合理；
(3) 将温度场分析结果导入强度分析模块进行计算，LNG液力透平承压壳体应力强度，连接螺栓应力强度以及密封力均满足要求。
综上所述，LNG液力透平整机热膨胀变形满足设计和运行要求。
6 结束语
在液化石油天然气接收站，设备装置由于介质温度变化较大，造成设备变形，介质泄漏现象。LNG液力透平内部为高压低温介质，高压介质温变对设备影响更大。采用ANSYS软件对LNG液力透平零件材料、透平结构进行低温性能分析，能够实现在设计阶段发现部分材料及结构问题，有效缩短了设计周期，提高LNG液力透平低温下运行的可行性。理论分析与制造厂内低温试验验证相结合，保证LNG液力透平在低温下能够承受介质温变影响，提高LNG液力透平运行的安全性、稳定性。
参考文献
[1] ANSYS帮助文件14.5, ANSYS, Inc
[2] ASME锅炉及压力容器规范 2013版
[3] API610 石油、重化学和天然气工业用离心泵 2010版
[4] 《ASME锅炉及压力容器规范》 Ⅱ和Ⅷ篇 2010版