[发明专利]一种低温液体膨胀机抗空化整流锥协同优化设计方法

说明书

本发明公开了一种低温液体膨胀机抗空化整流锥协同优化设计方法，对低温液体膨胀机叶轮增设整流锥，并对低温液体膨胀机叶轮及整流锥的三维几何形状进行协同优化，以控制叶轮下游旋涡空化流动，具体包括以下步骤：依次进行低温液体膨胀机两相旋涡空化的数值预测、叶轮‑整流锥与旋涡空化干涉机理分析及最佳耦合方式判别、整流锥‑叶轮耦合参数化表达建立、带整流锥的膨胀机叶轮几何敏感参数提取、旋涡空化特征量提取、旋涡空化抑制目标函数构建以及以抑制旋涡空化为目标的叶轮‑整流锥几何协同优化问题建立和其自适应求解，该方法能够对旋涡空化流动的有效控制，提升低温液体膨胀机的抗空蚀性能。

技术领域

本发明属于低温空分和低温液化等领域，涉及一种低温液体膨胀机抗空化整流锥与叶轮的协同优化设计方法。

背景技术

低温液体膨胀机是大型空分装置及液化天然气装置的关键节能设备，用以代替节流阀来降低汽化率、提高空分产品提取率及实现压力能量回收。低温液体膨胀机叶轮下游旋涡流动诱导的液体空化，对叶片表面材料造成冲击及腐蚀破坏、会诱导机组振动，严重威胁液体膨胀机及主流程低温装置的稳定运行。因此，对低温液体膨胀机空化流动实现有效控制意义重大。

针对常温液力机械，已有部分抗空化设计方法公开。如专利 201110202524.5“一种抗空蚀离心泵叶轮优化设计方法”，专利 201510679202.8“一种高抗空化离心叶轮水力设计方法”，均通过对离心泵叶轮几何形状进行优化设计，提高其抗空化性能；专利201110183162.X “抑制混流式水轮机叶片背面空化的方法”，通过对叶片背面压力最低点进行钻孔，破坏空化的形成，提升水轮机抗空化性能。

然而，与运行在常温的水泵、水轮机等不同，由于低温流体显著的热力学效益，低温液力机械内部空化发生机理更为复杂，表现为局部压降或少许温升均会诱导空化。就国内外文献看，涉及低温液力机械的抗空化方法较少。如专利201420342677.9“一种高效、抗汽蚀立式多级低温泵”，提出了一种通过螺旋槽的设计，提高低温离心泵的抗气蚀能力的设计方法；201910014308“一种基于低温流体的涡轮泵诱导轮空化流动数值预测方法”，公开了一种基于空化模型的涡轮泵诱导轮空化流动数值预测方法。公开资料中，针对低温液体膨胀机，则仅有专利 201810008748.4“一种低温液体膨胀机内旋涡空化流动的有效控制方法”，以及201810009053“一种两相低温液体膨胀机抗空化的优化设计方法”，分别通过对叶轮进行优化设计以及增设诱导轮部件，提升低温液体膨胀机抗空化性能。

机理研究发现，起源于高速旋转叶轮尾缘的旋涡流动，随主流扩展至扩压管，其诱导的局部低压及相应流动损失导致的局部温升，是叶轮下游发生空化的主要原因。再者，低温液体从叶轮进入扩压管时遭遇流道突扩，流动的进一步恶化是空化的又一重要原因。因此，在叶轮出口增设整流锥，有助于减少流道突扩带来的损失并抑制空化发生，且结构简单、成本低。然而，由于叶轮及整流锥内流动相互耦合，与下游流动存在复杂干涉作用，在设计中必须同时考虑三维叶轮叶片及整流锥形状的匹配，以及协同形变对旋涡空化流动带来的复杂影响。旋涡空化流动对叶轮叶片尾缘及整流锥几何形状的变化异常敏感，在设计中同时考虑三维叶轮及整流锥形状的协同变化及匹配，需不断调用依赖耗时预测数值计算以预测低温两相流动，极大地增加了设计问题的复杂性，以上原因均使得这种主动抗空化方式难以实现。目前就国内外范围看，并未发现这方面的公开资料。

发明内容

本发明目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种低温液体膨胀机抗空化整流锥协同优化设计方法，该方法能够对旋涡空化流动进行有效控制，提升低温液体膨胀机的抗空蚀性能。