[发明专利]一种考虑径向流体力影响的低温液体膨胀机转子临界转速的预测方法

说明书

本发明公开了一种考虑径向流体力影响的低温液体膨胀机转子临界转速的预测方法，包括考虑低温流体热力学效应的低温液体膨胀机全周瞬态流场的模拟、低温液体膨胀机叶轮径向流体力的计算、低温液体膨胀机叶轮径向流体力对临界转速影响的评估以及考虑径向流体力影响的低温液体膨胀机转子临界转速的预测，该方法能够使低温液体膨胀机机组及低温系统稳定运行。

技术领域

本发明属于低温空分和低温液化等技术领域，涉及一种考虑径向流体力影响的低温液体膨胀机转子临界转速的预测方法。

背景技术

低温液体膨胀机是低温空分和低温液化装置节能用关键设备，用于替代传统的高压液体节流阀，它可在降压节流的同时回收节流压力头发电(或拖动动力设备)，同时抑制低温系统温升，产生显著节能降耗效益。低温液体膨胀机作为一种高速旋转的叶轮机械，和常规叶轮机械类似，其转子动力学问题至关重要，直接影响着膨胀机机组乃至整个低温系统的稳定运行。

临界转速的准确预测是转子稳定运行的必要条件，可以帮助提升转子的设计稳定性，使转子能够安全地规避极具破坏性的共振问题。叶轮机械临界转速预测一直备受关注，且针对不同的应用，提出了相应的改进方法。例如，专利201210201955.4“一种估算转子临界转速的工程方法”提出了一种适用于含多层叠片阻尼器转子的临界转速的方法，考虑了不同转子结构对临界转速的影响；专利201310648017.3“一种多级离心泵湿转子临界转速的确定方法”考虑了各级转子间密封间隙对于转轴的作用力和转子临界转速的影响；专利201710419057.9“一种基于概率盒框架的转子临界转速分析”将概率模型、证明模型、区间数直接转换为概率盒的形式，用于预测转子临界转速。

近年来的叶轮机械内流研究表明，叶轮内常常伴随着流动分离，而此类分离团随着叶轮的旋转会以部分转速在叶轮内周向传播(即所谓旋转失速)，导致了叶轮内流动(压力、速度等)呈现非对称性分布。叶轮内非对称的压力分布直接导致了转子上的径向流体力。此径向流体力与叶轮内流动直接相关且随着叶轮的旋转而不断地改变方向，也就是说，它是方向和大小均瞬态改变的流体力的合力，直接作用于轴承油膜上，对轴承和转子系统的性能均有重要影响。而另一方面，此径向流体力使得转子产生了附加的径向加速度，改变了原始转子质量系统，进而影响转子的临界转速。如何将此影响考虑在转子临界转速的预测中，对转子设计和机器的稳定运行具有重要意义，但目前在国内外公开的文献中均未报道。

相对于传统叶轮机械而言，考虑径向流体力影响的低温液体膨胀机转子临界转速预测更为复杂。对于传统的非低温叶轮机械(如水泵、水轮机等)来说，温度对内流场的影响很小，通常忽略不计。但低温流体的热力效应显著，即其热物性随着温度场和压力场的敏感变化。为准确预测低温液体膨胀机转子径向流体力，在其内流场数值模拟中需要考虑低温流体的“热力学效应”，使其流场呈现为与温度场复杂耦合的热流场。

就考虑径向流体力影响的低温液体膨胀机转子的临界转速预测方法，在目前国内外公开的文献中均未报道。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种考虑径向流体力影响的低温液体膨胀机转子临界转速的预测方法，该方法能够使低温液体膨胀机机组及低温系统稳定运行。

为达到上述目的，本发明所述的考虑径向流体力影响的低温液体膨胀机转子临界转速的预测方法包括考虑低温流体热力学效应的低温液体膨胀机全周瞬态流场的模拟、低温液体膨胀机叶轮径向流体力的计算、低温液体膨胀机叶轮径向流体力对临界转速影响的评估以及考虑径向流体力影响的低温液体膨胀机转子临界转速的预测。

考虑低温流体热力学效应的低温液体膨胀机全周瞬态流场的模拟包括以下步骤：

在整机环境下，建立包含蜗壳、叶轮、喷嘴及扩压管的低温液体膨胀机整机全周物理模型，再对所述低温液体膨胀机整机全周物理模型进行网格划分，以捕捉叶轮内流动的非对称特性；