[发明专利]一种两相低温液体膨胀机抗空化的优化设计方法

说明书

本发明公开了一种两相低温液体膨胀机抗空化的优化设计方法，包括考虑低温流体热力学效应的两相低温液体膨胀机旋涡空化机理研究、两相低温液体膨胀机内旋涡空化流动的几何参数敏感性分析、两相低温液体膨胀机内复杂旋涡空化流动的特征化表述、以控制旋涡空化流动为目的的流场优化目标函数的构建、以及旋涡空化流动优化控制和抗空化优化设计问题的并行求解，该方法能够有效的提升两相低温液体膨胀机的性能及运行稳定性。

技术领域

本发明属于低温空分和低温液化等技术领域，涉及一种两相低温液体膨胀机抗空化的优化设计方法。

背景技术

低温液体膨胀机作为一种液力机械，和传统水力(或液力)机械类似，不可避免地发生空化现象。空化气泡的溃灭将产生极高的局部压强，对结构表面材料造成很大冲击，产生空化腐蚀破坏；还会诱导机组振动，威胁液体膨胀机、乃至低温系统的稳定运行。因此，对低温液体膨胀机旋涡空化流动的有效抑制意义重大。

空化现象是指液体局部压力低于相应温度下饱和蒸气压，导致液体气化并引起微气泡的爆发性增长和溃灭的现象。空化现象广泛存在于水泵、水轮机等水力机械，以及低温空分和低温液化等领域。按其发生部位的不同，通常存在叶形空化、间隙空化、空腔空化和局部空化四种形式。通常空腔空化是指存在于常规水力机械(如水轮机尾水管)中由旋涡流动带来的空化，其强度高、占据空间大，多呈现出“辫束”状，直接影响着液力机械性能和机组可靠性，而此空化的诱因—旋涡流本质上源于叶轮的高速旋转。作为一种液力透平机械，低温液体膨胀机高速旋转的叶轮也会造成高强度的旋涡流并扩展至其下游扩压管，进而诱发叶轮出口处和扩压管内的空化。

为抑制空化，针对常规液力机械的叶轮设计提出了一些优化设计方法。专利201110202524.5“一种抗空蚀离心泵叶轮优化设计方法”以 NSGA-II遗传算法为优化工具，对离心泵叶轮参数进行多目标优化设计，提高了叶轮的效率和抗空化性能。专利201510679202.8“一种高抗空化离心叶轮水力设计方法”提供了一种高抗空化离心叶轮水力设计方法，采用改善叶片进口安放角、叶片厚度分布、叶轮进口直径和叶片进口宽度的方法，提高了离心泵抗空化性能。专利201510908837.0“一种抗空化轴流泵叶轮设计”公开了一种抗空化轴流泵叶轮设计方法，使得设计出的轴流泵叶轮可靠工作的同时，具备抗空化能力。

与常规液力机械相比，在低温液力机械(如低温液体膨胀机)的旋涡空化更为复杂。对于常温水力机械来说，介质的热效应几乎可以忽略，即温度对空化的影响很小而忽略不计。但低温介质的显著热力学效应，使得低温空化对温度变化非常敏感，而且低温介质的相变潜热大，诸如此类的影响因素均不可忽略。本质上，低温液体膨胀机叶轮的高速旋转造成了其出口处高强度旋涡流，导致了局部低压和温升，直接诱发了空化。但此旋涡空化流与低温温度场高度耦合，显著增加了其控制难度。而两相低温液体膨胀机的空化更显著，其控制也更为复杂。

两相液体(带气)膨胀机在低温空分、低温液化及其它工业流程及余能回收系统中有广阔应用前景。例如，US20120235415A1公布了使用两相膨胀机-发电机组的朗肯动力循环能量回收系统。但两相液体膨胀机的空化控制复杂，尚未得到有效地解决，制约了此技术的应用。既使 US20120235415A1所公开的内容中涉及两相膨胀机，但并未提及两相膨胀机的抗空化问题。

就两相液体膨胀机而言，其进口介质为液态，但通过膨胀机的降压膨胀，部分液体介质蒸发为气体，使得出口介质变为液中富含气的两相混合物。特别值得注意的是，两相膨胀机内液体介质的蒸发过程会伴随相当规模的空泡产生而诱发严重空化。如何控制两相液体膨胀机潜在的显著空化是亟需突破的关键技术问题。

目前就国内外范围看，未发现有关两相液体膨胀机抗空化技术的公开报道。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种两相低温液体膨胀机抗空化的优化设计方法，该方法能够有效的提升两相低温液体膨胀机的性能及运行稳定性。