一种风机制备工艺优化方法

1.本技术属于材料加工技术领域，特别是涉及一种风机制备工艺优化方法。


背景技术：

2.透平膨胀机是空气分离设备、天然气石油气液化分离设备和气体液化装置等获取冷量所必需的关键部件，是保证整套设备稳定运行的心脏。透平膨胀机的工作过程是一种绝热膨胀过程，获得低温是其最主要的效应，同时膨胀过程也是对外做功的热力过程。低温透平膨胀机输出的能量一般由同轴的制动风机消耗。
3.传统的低温透平膨胀机中，制动风机均可满足消耗膨胀侧输出功的功能。但受限于制动风机的压比小，风机流道和轮背形成的轴向力往往无法平衡膨胀侧的轴向力，止推轴承的承载力需求大。目前膨胀机的故障和维护往往因为止推轴承损坏导致。有相关研究优化制动风机设计以减小膨胀机整机的轴向力，但在实际设计过程中，往往需要调整膨胀机侧的设计进行反复迭代和修改，极大地增加了设计工作的复杂程度。膨胀机壳体内压力控制对轴承的运行，密封防泄漏等有重要影响，受轮背压力，密封气压力等因素的影响，单独设计各个部分也给设计工作增加了难度和成本。


技术实现要素：

4.1.要解决的技术问题
5.基于目前尚无一种可以实现上述多种功能需求且复杂度低的制动风机设计方法的问题，本技术提供了一种风机制备工艺优化方法。
6.2.技术方案
7.为了达到上述的目的，本技术提供了一种风机制备工艺优化方法，所述方法包括预测风机热力性能参数，根据所述热力性能参数对风机叶轮几何参数调节和优化，根据所述几何参数三维建模，仿真模拟风机运行的性能表现得到仿真结果，对所述仿真结果进行分析获得所述热力性能参数与所述几何参数对优化目标的影响程度，选取影响参数构建目标函数，根据所述目标函数逆向优化并进行自适应求解得到最优工艺。
8.本技术提供的另一种实施方式为：所述风机为双级串联风机，所述双级串联风机包括相互连接的一级风机和二级风机。
9.本技术提供的另一种实施方式为：所述热力性能参数根据膨胀机输入的制动功率p
t
、转速n、轴向力f
t
、膨胀叶轮外缘直径d
t
和密封气压p
t
进行预测。
10.本技术提供的另一种实施方式为：根据所述制动功率p
t
＝f
power
(m，p
b0
，f
b0
，π1，π2，η1，η2)，设置风机流量m，一级风机进口压力p
b0
，一级风机进口温度t
b0
，一级风机压比π1，一级风机效率η1，二级风机压比π2和二级风机效率η2。
11.本技术提供的另一种实施方式为：根据所述流量、一级风机压比π1和进口状态设计一级风机的第一叶轮、第一扩压器和第一蜗壳；根据所述二级风机压比π2和所述一级风机的出口状态设计二级风机的第二叶轮、第二扩压器和第二蜗壳。
12.本技术提供的另一种实施方式为：所述第一叶轮包括三维扭曲叶片，所述第二叶轮包括三维扭曲叶片，所述三维扭曲叶片的参数包括外缘直径、出口叶高、叶片数、进口内径和进口外径，所述参数共同形成子午面型线。
13.本技术提供的另一种实施方式为：所述子午面型线能够通过型线控制点的坐标(x1，y1)、(x2，y2)、...(xn，yn)进行调节和优化。
14.本技术提供的另一种实施方式为：所述外缘直径小于膨胀机叶轮外缘直径。
15.本技术提供的另一种实施方式为：所述优化目标包括风机总制动功率pb、风机侧总轴向力fb和二级风机叶轮出口压力pb，所述优化目标为pb＝p
t
，fb＝-f
t
，pb≥p
t
。
16.本技术提供的另一种实施方式为：根据所述目标函数逆向优化并进行自适应求解得到最优工艺包括逆向回溯所述热力性能参数和所述几何参数，调整和优化后，正向建模，再通过计算流体动力学仿真软件模拟，检验优化目标是否满足设计条件；若尚未满足，则将新的参数加入目标函数，继续逆向回溯优化，重复自适应求解过程，直至优化目标满足设计要求。
17.3.有益效果
18.与现有技术相比，本技术提供的风机制备工艺优化方法的有益效果在于：
19.本技术提供的风机制备工艺优化方法，为一种多目标功能双级串联制动风机的设计方法。
20.本技术提供的风机制备工艺优化方法，双级串联的风机，总压比为一、二级风机压比的乘积，可形成更高的压比，易于在风机侧流道和轮背形成压差，较大的轴向力；风机侧轴向力由两个叶轮的流道和轮背组成，通过合理设计，与膨胀侧等大反向，容易实现轴向力自平衡。
21.本技术提供的风机制备工艺优化方法，风机侧可达到更高的压力，设计过程可实现二级风机轮出口压力高于密封压力，所以二级风机轮出口泄露的高压气体，通过壳体内部流道，作为膨胀侧的密封气体，减少膨胀侧冷量泄漏，不额外供气可以减少系统的耗气量，减少功耗。
22.本技术提供的风机制备工艺优化方法，采用双级串联形式，可以达到更大的压比，在风机叶轮直径小于膨胀叶轮直径的设计条件下，相比单级制动叶轮，轮缘速度减小，制动功率增大，具有宽域性能，可配合膨胀机大膨胀比以及大流量的工况，不再制约膨胀叶轮设计。
23.本技术提供的风机制备工艺优化方法，由于压比大容易实现大制动功率需求，在风机设计流程中，可限制风机叶轮直径小于膨胀叶轮，风机叶轮强度要求低于膨胀侧，因此在膨胀侧流道设计阶段，仅需考虑膨胀叶轮自身强度要求，无需考虑风机的强度和功率匹配需求；二级风机轮出口压力高，可用作密封气，在风机设计流程中，可限制其高于密封压力，消除了膨胀机密封气的设计。
24.本技术提供的风机制备工艺优化方法，可根据膨胀侧输入参数，实现功率匹配，消除轴向力，密封的要求，且无需对膨胀机侧的设计进行反复修改和迭代，简化设计步骤和时间。
附图说明
25.图1为本技术的风机制备工艺优化方法流程示意图；
26.图2为本技术的子午面型线控制点示意图；
27.图3为本技术的风机工作原理示意图。
具体实施方式
28.在下文中，将参考附图对本技术的具体实施例进行详细地描述，依照这些详细的描述，所属领域技术人员能够清楚地理解本技术，并能够实施本技术。在不违背本技术原理的情况下，各个不同的实施例中的特征可以进行组合以获得新的实施方式，或者替代某些实施例中的某些特征，获得其它优选的实施方式。
29.参见图1～3，本技术提供一种风机制备工艺优化方法，运用此方法优化某一大功率氢透平膨胀机的制动风机。所述方法包括预测风机热力性能参数，根据所述热力性能参数对风机叶轮几何参数调节和优化，根据所述几何参数三维建模，仿真模拟风机运行的性能表现得到仿真结果，对所述仿真结果进行分析获得所述热力性能参数与所述几何参数对优化目标的影响程度，选取影响参数构建目标函数，根据所述目标函数逆向优化并进行自适应求解得到最优工艺。
30.进一步地，所述风机为双级串联风机，所述双级串联风机包括相互连接的一级风机和二级风机。
31.进一步地，所述热力性能参数根据膨胀机输入的制动功率p
t
、转速n、轴向力f
t
、膨胀叶轮外缘直径d
t
和密封气压pt进行预测。本实例中输入参数为：p
t
＝27.7kw,n＝99108rpm，f
t
＝232n,d
t
＝56mm和p
t
＝1.6mpa。
32.进一步地，根据所述制动功率p
t
＝f
power
(m,p
b0
,t
b0
,π1,π2,η1,η2)，设置风机流量m，一级风机进口压力p
b0
，一级风机进口温度t
b0
，一级风机压比π1，一级风机效率η1，二级风机压比π2和二级风机效率η2。
33.进一步地，根据所述流量、一级风机压比π1和进口状态的温度和压力设计一级风机的第一叶轮、第一扩压器和第一蜗壳；根据所述二级风机压比π2和所述一级风机的出口状态的温度和压力设计二级风机的第二叶轮、第二扩压器和第二蜗壳。
34.这里的进口状态包括温度和压力，出口状态包括温度和压力。
35.进一步地，所述第一叶轮包括三维扭曲叶片，所述第二叶轮包括三维扭曲叶片，所述三维扭曲叶片的参数包括外缘直径、出口叶高、叶片数、进口内径和进口外径，所述参数共同形成子午面型线。
36.第一叶轮的外缘直径为d
b11
，第二叶轮的外缘直径为d
b21
，第一叶轮的出口叶高为b
b1
，第二叶轮的出口叶高为b
b2
，第一叶轮的叶片数为n1，第二叶轮的叶片数为n2，第一叶轮的进口内径为d
b10
，第二叶轮的进口内径为d
b20
，第一叶轮的进口外径为d
′
b0
，第二叶轮的进口外径为d
′
b20
。
37.进一步地，所述子午面型线包含出口处两段直线两条弧线，每条弧线端点处的切线的交点为一个控制点，再选择弧线上2-3个点，投影到切线上获得若干控制点，用以反映该处的弧线曲率，通过控制点的坐标(x1，y1)、(x2，y2)、...(xn，yn)进行调节，可改变风机叶轮通道的情况，优化流动特性，减小损失，控制叶轮中的压力分布，实现风机叶轮的高效设
计和轴向力调节。
38.进一步地，所述外缘直径小于膨胀机叶轮外缘直径。两个风机叶轮外缘直径均需满足小于膨胀机叶轮外缘直径dt的要求，以控制强度要求，避免修改膨胀叶轮设计。
39.进一步地，所述优化目标包括风机总制动功率pb、风机侧总轴向力fb和二级风机出口压力pb，所述优化目标为pb＝p
t
，fb＝-f
t
，pb≥p
t
。设计的双级串联的风机，需满足膨胀机制动功率匹配、轴向力自平衡和二级风机出口压力可作密封气的要求。
40.进一步地，根据所述目标函数逆向优化并进行自适应求解得到最优工艺包括逆向回溯所述热力性能参数和所述几何参数，调整和优化后，正向建模，再通过计算流体动力学仿真软件模拟，检验优化目标是否满足设计条件；若尚未满足，则将新的参数加入目标函数，继续逆向回溯优化，重复自适应求解过程，直至优化目标满足设计要求。
41.通过分析仿真结果中的热力参数指标和流场、压力分布，获得前面步骤中设置的热力和几何参数对优化目标一风机总制动功率pb、风机侧总轴向力fb和二级风机出口压力pb的影响程度。选取主要影响参数，构建目标函数，例如：
42.pb＝f1(m，p
b0
，t
b0
，π1，π2，d
b11
，d
b21
，
…
)，
43.fb＝f2(π1，π2，d
b11
，d
b21
，d
b10
，d
b20
，x1，...)，
44.pb＝f3(m，p
b0
，t
b0
，π1，π2，d
b11
，d
b21
，y1，...)。
45.根据自适应求解结果，本实例中，大功率氢透平膨胀机的制动风机的设计结果参数如下表所示。风机工作过程如图3所示，在使用本风机设计方法的氢膨胀机中，膨胀侧工作气体从喷嘴流入，再经过叶轮流出。膨胀叶轮通过轴输出功。膨胀叶轮流道和轮背形成膨胀侧的轴向力。喷嘴和工作轮之间为防止气体及冷量泄露，需使用密封气密封；在风机侧，工作气体从一级风机叶轮流入，经一级扩压器，蜗壳，二级叶轮，二级扩压器后流出。两制动叶轮耗功之和与膨胀机输出功率匹配。两制动叶轮流道和对应轮背形成的轴向力与膨胀侧抵消。从二级风机叶轮出口泄露的气体作为密封气给膨胀侧密封。
[0046][0047]
若采用单级风机叶轮的轮缘，直径约为70mm，材料强度需求过大，且轴向力无法消除，风机侧泄漏气体未用作密封气。本技术的风机制备工艺优化方法实现了多项功能的优化。
[0048]
如图3所示，在使用本技术的风机制备工艺优化方法的膨胀机中，膨胀侧工作气体从喷嘴流入，再经过叶轮流出。膨胀叶轮通过轴输出功。膨胀叶轮流道和轮背形成膨胀侧的
轴向力。喷嘴和工作轮之间为防止气体及冷量泄露，需使用密封气密封；在风机侧，工作气体从一级风机叶轮流入，经一级扩压器，蜗壳，二级叶轮，二级扩压器后流出。两制动叶轮耗功之和与膨胀机输出功率匹配。两制动叶轮流道和对应轮背形成的轴向力与膨胀侧抵消。从二级风机叶轮出口泄露的气体作为密封气给膨胀侧密封。
[0049]
尽管在上文中参考特定的实施例对本技术进行了描述，但是所属领域技术人员应当理解，在本技术公开的原理和范围内，可以针对本技术公开的配置和细节做出许多修改。本技术的保护范围由所附的权利要求来确定，并且权利要求意在涵盖权利要求中技术特征的等同物文字意义或范围所包含的全部修改。