径流式液力透平优化设计方法技术

本发明专利技术公开了一种径流式液力透平通流部件整机优化设计方法。该设计方法包含了一元热力优化设计，通流部件三维造型方法，以及整机优化平台。其中，优化平台包含四个模块：喷嘴导叶和叶轮叶片参数化、协同进化遗传算法、自适应近似模型、以及CFD自动调用。通过参数化，提取了描述叶轮叶片、喷嘴导叶叶型及安装角变化的特征变量。优化目标是在整机环境下，同时提高液力透平的总效率和膨胀比。优化平台通过下列措施减少计算量，并加速收敛：使用动态采样策略建立、更新近似模型，以较少次数CFD计算，获得足够的预测精度；协同进化算法，将复杂的多变量优化问题分解为多个相对独立却又相互作用的子问题，既保留了原问题的特性，又有效减少了计算量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于石油化工、化肥、化学工业等领域余压回收技术，涉及一种液力透平的设计方法，特别是一种径流式液力机械整机设计优化方法。
技术介绍
在高能耗的石油化工装置流程中，需要将高压液体节流至低压以满足工艺流程的需要。通常这一降压过程是通过节流阀来完成的，节流阀节流过程是极其不可逆的剧烈降压过程，高压液体能量将被白白浪费掉，且会导致液体介质的汽化、结构的汽蚀破坏。石油化工企业也越来越重视节能降耗以降低产品成本和提高企业自身的竞争能力，节能技术和设备的应用及推广就显得愈加重要。在石油化工装置流程通过液力透平回收高压流体的能量用以驱动其他转动机械如泵等，可以取得显著的节能降耗效益。液力透平于70年代末期进入市场，有反转泵(REVERSEPUMP)、法兰西斯泵型 (FRANCIS)、卡普兰型(KAPLAX)和佩尔顿型(PELTON)。反转泵式液力透平通过离心泵的反转运行实现液体介质的压力回收，其结构简单，成本较低，设计成熟，故在石化装置中有较广泛的应用。但对流量要求比较严格，流量过大过小时，回收效率将大幅降低，甚至出现无回收情况。由于上述缺陷，此类液力透平有逐步被径向透平取代的趋势。石油化工装置工艺流程所求的压降往往相当大，蕴藏着大量可回收的液体压力能，单级透平不适用于高压差的液力回收利用，只有增加液力透平的级数才能提高能量回收规模。但随着级数的增加势必会增加转子的轴长，从而降低其可靠性。而径向叶片涡轮液力透平与可逆泵式液力透平相比具有更高的效率，同样压差下所用透平的级数往往要比反转泵式透平要少，级数的减少将有效地提高转子的可靠性。同时，由于径向叶片涡轮的直径相对较小，因此结构紧凑、造价低。径向叶片涡轮设计的更大优点是可以使用变几何喷嘴，因为环形流道上的喷嘴为螺栓连接，容易更换，这样，液力透平就有最佳的工作效率，同时设计流量的范围也较宽。但就国内外文献看，径向液力透平通流部件的设计理论方面资料有限。本专利技术公开了径向液力透平优化设计方法，为液力透平通流部件的设计提供支撑。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供径流式液力透平通流部件的整机优化设计方法，包括一元优化设计、通流部件的初始形状设计、优化设计方法(平台)。本专利技术提供了一种，包含一元热力优化设计方法， 通流部件三维造型方法以及整机优化方法；其中，整机优化方法包括如下步骤喷嘴导叶和叶轮叶片参数化步骤、协同进化遗传算法、自适应的近似模型以及CFD(计算流体力学)自动调用算法。所述，按照如下步骤(I)给定流量、进出口工质参数，将一元优化模型与优化算法相结合，考虑各种约束条件，通过编程求解优化问题，确定叶轮进出口直径、速度三角形，为通流部件三维设计打下基础；(2)基于一元优化设计结果，设计通流部件初始形状，包括喷嘴导叶叶型、叶轮计以及蜗壳设计；(3)在整机环境下，对已设计的蜗壳、喷嘴、叶轮等通流部件的流场进行CFD分析， 获得初始设计的性能数据，同时分析流动损失；(4)基于通流部件初始形状设计，进行几何形状的参数化并提取优化设计变量； 依靠CFD数值研究，通过变量灵敏度分析确定优化变量的范围；优化目标是在整机环境下， 同时提高整机的效率以及膨胀。(5)利用试验方法构造实验样本，并用CFD对实验样本进行分析，获得其目标函数值；利用实验样本数据建立近似模型，替代耗时的CFD计算，作为目标函数指导优化进行；(6)利用遗传算法计算若干步，完成对整个设计空间的初步探索；分析遗传算法种群数据，计算变量之间紧密或松散的量化关系；通过变量分组算法，将复杂的多变量优化问题分解为多个相对独立又互相影响的子问题；(7)使用协同进化算法优化，该算法具有处理多变量高度非线性问题的能力；由于是在考虑变量相关性的基础上对原问题进行合理分割，考虑了子问题间的相关性，在最大限度保留原问题特性的基础上，减少了寻优所需的计算量；(8)使用在优化的过程中，使用动态采样策略更新近似模型，自动调用较少次数 CFD计算，不断提高模型在潜在最优区域的精度，提高寻优效率；(9)当计算量达到预定最大值时，优化算法结束，获得最优化设计。所述一元热力优化方法包括如下步骤(I) 一元热力设计使用遗传算法，通过计算机自动完成优化过程，而非传统的依靠不断试凑得出；(2)在优化的过程中，需要工质在通流部件不同截面的物性数据，均通过调用物性子程序完成，不但保证了计算精度，而且，由于物性子程序可计算不同工质，优化程序具有设计不同介质膨胀机的能力。所述整机优化方法包括如下步骤(I)为同时考虑膨胀机各个部件对整机流场及性能的影响，优化各个部件工作在最优化状态，引入了协同进化算法，使得优化方法具有处理多变量高度非线性问题的能力； 此种算法将一个复杂的多变量优化问题分割为多个相对独立的子问题，并利用遗传算法对每一个子问题进行逐步求解；在考虑变量之间相关性的基础上对问题进行合理分割，在最大限度保留原问题特性的基础上，有效减少寻优所需的计算量；(2)由于整机优化使用了较多变量，为保证优化在有限计算资源下完成，利用利用克里金近似模型预测目标函数，而不是每次都调用耗时的CFD计算；采用了有自动更新能力的近似模型算法，在仅调用少量CFD计算次数基础上，不断提高模型在潜在最优区域的精度，提高寻优效率；(3) CFD的自动调用通过一系列自有程序和批处理脚本，完成CFD分析包括候选叶片型线生成、网格划分、CFD设置和求解器自动求解、以及数值结果获取的全部过程，可直接与优化程序集成；(4)该优化方法的各个模块不是简单按照顺序依次进行，而是被有机地整合在一起，譬如，在建立初始近似模型时，需要调用CFD完成初始样本数据库的建立，并调用优化算法完成近似模型的拟合工作；拟合后的近似模型被作为目标函数， 用来指导优化的进行；在寻优的过程中，又会根据算法计算的需要，调用CFD计算，增加适当的样本点，来更新近似模型在潜在最优区域的精度，这时候优化算法和CFD均被调用，近似模型同时完成一次更新。I. 一元热力优化设计方法一元热力优化设计的目的是在参数取值范围内，满足各项约束条件，匹配各部件的相关设计参数，确定叶轮进出口直径、速度三角形、叶轮子午面形状，为三维流道的设计打下基础。本专利技术中所建立的一元优化设计模型中，选取轮周效率为目标函数，相应的无量纲参数为设计变量，给出各项约束条件，引入遗传算法，形成了一元热力优化设计方法。叶轮轮周效率rIu可表示为下列无量纲参数的函数%=(I)上式中φ -导向装置(包括蜗壳和喷嘴)的速度系数Ψ-叶轮的速度系数Ω -反动度a r叶轮进口绝对液流角β 2-叶轮出口相对液流角uVc0s-级的速比(叶轮进口周速/等熵膨胀速度)D2nZD1-轮径比(叶轮出口平均直径/叶轮进口直径)上述无量纲参数的取值范围，很大程度上基于经验数据并结合实际设计要求来确定。优化需要尽可能地保证较宽的参数搜索空间，但又不会出现过于不合理的参数组合； 根据不同的应用情况，变量取值范围或许不同，需要根据经验做适当调整。例如，下列是一组较为合适的变量取值范围O. 3 ^ Ω ^ O. 60.85 <φ < 0.97O. 8 ≤ Ψ≤ O. 95O. 5 ≤ Vc0s ^≤O. 810° ≤ a ≤30°20° ≤β2 ≤ 50。O. 2 ^ D2ZD1 ^ O本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：孙金菊，宋鹏，王科，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：