一种液力透平叶轮优化设计方法技术

本发明专利技术涉及水力优化设计领域，特别是一种液力透平叶轮优化设计方法。采用主目标和分目标两层的优化方式，分目标函数的优化加速了优化变量向最优解靠近，提高了多约束优化的精度和速度。分目标函数的优化采用遗传优化算法，以面出发代替传统的以点出发，较传统水力优化设计方法提升了优化计算效率。主目标函数的优化采用多岛遗传算法，增加了优化算法的多峰搜索能力，一定程度上消除了局部收敛对优化的影响。

【技术实现步骤摘要】
一种液力透平叶轮优化设计方法
本专利技术专利涉及水力优化设计领域，特别是一种液力透平叶轮优化设计方法。
技术介绍
透平是将流体工质中蕴有的能量转换成机械能的机器，又称涡轮机。透平机械的工质可以是液体、蒸汽、燃气、空气和其他气体或混合气体。以液体为工质的透平称为液力透平。液力透平可以对工艺流程中产生的高压液体进行再利用，是一种能量回收装置，目前广泛应用于石油化工加氢裂化装置、大型合成氨装置以及海水淡化装置等。透平的最主要的部件是一个旋转元件，即转子，或称叶轮，它安装在透平轴上，具有沿圆周均匀排列的叶片。流体所具有的能量在流动中，经过喷管时转换成动能，流过叶轮时流体冲击叶片，推动叶轮转动，从而驱动透平轴旋转，透平轴直接或经传动机构带动其他机械，输出机械功。液力透平是具有长远经济效益的节能装置。但受国外技术封锁，我国对液力透平整个工艺流程的核心技术一直未能突破，国内大多炼化企业只能采用进口产品，价格高且加工时间长、维修难，给国内应用企业带来很多困扰。而虽然国产千万吨级加氢装置液力透平机组价格仅为进口产品价格的1/2左右，但国内对于液力透平的主要过流部件——叶轮的水力设计采用的是类泵的半经验、半理论的方法，设计出来的液力透平可能会在性能、安全运行及使用寿命等方面存在一系列问题：效率低、运行稳定性差、使用寿命短、存在严重的噪声和振动等等。液力透平泵体的工作状态常常是高温高压，且过流部件经常遇到冲刷、气蚀、气液混输以及轴向平衡力等诸多困难，这些技术难题急需解决。本专利技术的创新点在于，直接从叶轮的结构参数入手，结合两种不同遗传算法对效率进行了两次不同程度优化，消除了优化局部收敛的影响，使效率得以提高且保证了工作工况的稳定运行；经检索，与本专利技术专利相关的专利有：径流式液力透平优化设计方法(公开号：CN102608914A)，本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，包含一元热力优化设计，以及整机优化平台，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，但其对于多变量问题求解时容易陷入局部优化的问题没有解决；考虑缺陷的大型透平膨胀机叶轮叶片结构优化设计方法(公开号：CN104331553A)，在原有叶轮应力分析基础上，加入缺陷因素，利用广义回归神经网络和基于遗传算法的多目标优化算法对叶轮参数进行遗传优化操作，最终得到分布均匀的最优解作为叶轮叶片优化参数，但其优化过程较复杂繁琐。
技术实现思路
为了改进液力透平运行中过程遇到的问题，本专利技术专利提供一种液力透平叶轮优化设计方法，其目的是提高液力透平工作效率。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种液力透平叶轮优化设计方法，具体包括以下步骤：步骤1：设置所述一种液力透平叶轮优化设计方法的优化变量X＝[D1、D2、β2e、β1e、Z、k]，包括叶轮标称直径D1、叶轮出口直径D2、叶片出口安放角β2e、叶片进口角β1e、叶片数Z和长、短叶片长度比k；步骤2：所述一种液力透平叶轮优化设计方法的优化目标为提高液力透平效率η，建立三个分目标函数η1、η2、η3，分别为η1(D1、D2)→max、η2(β2e、β1e)→max、η3(Z、k)→max；步骤3：运用单目标遗传算法分别对三个分目标函数η1、η2、η3进行优化计算，计算收敛后得到三组最优值分别为{D1′,D2′}、{β2e′,β1e′}和{Z′,k′}，其中分别为分目标优化后的叶轮标称直径D1′、叶轮出口直径D2′、叶片出口安放角β2e′、叶片进口角β1e′、叶片数Z′和长、短叶片长度比k′；步骤4：基于分目标函数得到的三组最优值{D1′,D2′}、{β2e′,β1e′}和{Z′,k′}，对优化变量X＝[D1、D2、β2e、β1e、Z、k]重新进行约束，建立主目标函数并将重新约束后的优化变量X代入主目标函数进行多岛遗传算法优化计算时，计算得到最终优化结果[D1″、D2″、β2e″、β1e″、Z″、k″]，其中最终优化结果包括叶轮标称直径D1″、叶轮出口直径D2″、叶片出口安放角β2e″、叶片进口角β1e″、叶片数Z″和长、短叶片长度比k″。步骤1中，所述的优化变量X＝[D1、D2、β2e、β1e、Z、k]根据以下方法确定：(1)叶轮标称直径D1式中，Pr-设计功率，单位kw；Q11-单位流量，根据设计参数和水头范围查转轮型谱参数确定，单位L/s；Hr-设计水头，单位m；η-设计效率；(2)叶轮出口直径D2式中，K-修正系数，K＝4.4～4.8,较小值适于高比转速，较大值适于低比转速；Qr-设计流量，单位m3/h；nr-设计转速，单位r/min；(3)叶片出口安放角β2eβ2e＝β2-Δβ式中，Δβ-考虑有限叶片数的修正角，当比转速ns＝200～400时，Δβ＝2°～4°，当比转速ns＜200时，Δβ＝0°～2°；β2-叶片出口边液流角，单位°；其中叶片出口边液流角β2按如下公式计算：上列式中，vm2-叶片出口轴面速度，单位m/s；u2-叶片出口圆周速度，单位m/s；vu2-叶片出口圆周分速度，单位m/s；Γ2-转轮的出口环量，单位m2/s；r2-叶片出口边计算点半径，单位m；ηV-容积效率；F2-叶片出口边计算点过水断面面积，单位m2；ψ2-出口边排挤系数，其中，δu2为叶片在出口圆周方向的厚度，单位mm；(4)叶片进口角β1eβ1e＝β1-α式中，α-进口冲角，α＝3°～10°，对比转速低的转轮取大值；β1-叶片进口边液流角，单位°；其中叶片出口液流角β2按如下公式计算：上列式中，vm1-叶片进口轴面速度，单位m/s；u1-叶片进口圆周速度，单位m/s；vu1-叶片进口圆周分速度，单位m/s；Γ1-转轮的进口环量，单位m2/s；r1-叶片进口边计算点半径，单位m；ηV-容积效率；F1-叶片进口边计算点过水断面面积，单位m2；ψ1-进口边排挤系数，其中，δu2为叶片在进口圆周方向的厚度，单位mm；(5)叶片数Z所述的一种液力透平叶轮叶片包括长度不同的长叶片和短叶片，长短叶片间隔分布，通常液力透平叶轮叶片数Z＝13～19；初始可取为Z＝16,其中长、短叶片均为8片；(6)长、短叶片长度比k所述的一种液力透平叶轮叶片包括长度不同的长叶片和短叶片，其中，长叶片与短叶片之间的长度比其中ll为长叶片长度，ls为短叶片长度；初始设计可取k＝1.2；步骤2中，所述三个分目标函数η1、η2、η3的约束条件根据上述步骤1中确定的优化变量X＝[D1、D2、β2e、β1e、Z、k]得到：(1)分目标函数η1(D1、D2)→max中，约束条件分别为[0.8D1、1.2D1]、[0.8D2、1.2D2]；(2)分目标函数η2(β2e、β1e)→max中，约束条件分别为[0.8β2e、1.2β2e]、[0.8β1e、1.2β1e]；(3)分目标函数η3(Z、k)→max中，约束条件分别为{14、16、18}、[1.1、1.25]；步骤3中，所述的三个分目标η1、η2、η3所运用的单目标遗传算法的优化步骤如下：(1)首先确定三个分目标函数η1(D1、D2)→max、η2(β2e、β1e)→max、η3(Z、k)→max的单目标遗传算法的优化精度为10-3，为防止优化不收敛，使优化变本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种液力透平叶轮优化优化设计方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：设置所述一种液力透平叶轮优化优化设计方法的优化变量X＝[D

【技术特征摘要】
1.一种液力透平叶轮优化优化设计方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：设置所述一种液力透平叶轮优化优化设计方法的优化变量X＝[D1、D2、β2e、β1e、Z、k]，包括叶轮标称直径D1、叶轮出口直径D2、叶片出口安放角β2e、叶片进口角β1e、叶片数Z和长、短叶片长度比k；步骤2：所述一种液力透平叶轮优化优化设计方法的优化目标为提高液力透平效率η，建立三个分目标函数η1、η2、η3，分别为η1(D1、D2)→max、η2(β2e、β1e)→max、η3(Z、k)→max；步骤3：运用单目标遗传算法分别对三个分目标函数η1、η2、η3进行优化计算，计算收敛后得到三组最优值分别为{D1′,D2′}、{β2e′,β1e′}和{Z′,k′}，其中分别为分目标优化后的叶轮标称直径D1′、叶轮出口直径D2′、叶片出口安放角β2e′、叶片进口角β1e′、叶片数Z′和长、短叶片长度比k′；步骤4：基于分目标函数得到的三组最优值{D1′,D2′}、{β2e′,β1e′}和{Z′,k′}，对优化变量X＝[D1、D2、β2e、β1e、Z、k]重新进行约束，建立主目标函数并将重新约束后的优化变量X代入主目标函数进行多岛遗传算法优化计算时，计算得到最终优化结果[D1″、D2″、β2e″、β1e″、Z″、k″]，其中最终优化结果包括叶轮标称直径D1″、叶轮出口直径D2″、叶片出口安放角β2e″、叶片进口角β1e″、叶片数Z″和长、短叶片长度比k″。2.根据权利要求1所述的一种液力透平叶轮优化优化设计方法，其特征在于：步骤1中所述的优化变量X＝[D1、D2、β2e、β1e、Z、k]初设值根据以下方法确定：(1)叶轮标称直径D1式中，Pr-设计功率，单位kw；Q11-单位流量，根据设计参数和水头范围查相关转轮型谱参数确定，单位L/s；Hr-设计水头，单位m；η-设计效率；(2)叶轮出口直径D2式中，K-修正系数，K＝4.4～4.8,较小数值适于高比转速，较大数值适于低比转速；Qr-设计流量，单位m3/h；nr-设计转速，单位r/min；(3)叶片出口安放角β2eβ2e＝β2-Δβ式中，Δβ-考虑有限叶片数的修正角，当比转速ns＝200～400时，Δβ＝2°～4°，当比转速ns＜200时，Δβ＝0°～2°；β2-叶片出口边液流角，单位°；其中叶片出口边液流角β2按如下公式计算：上列式中，vm2-叶片出口轴面速度，单位m/s；u2-叶片出口圆周速度，单位m/s；vu2-叶片出口圆周分速度，单位m/s；Γ2-转轮的出口环量，单位m2/s；r2-叶片出口边计算点半径，单位m；ηV-容积效率；F2-叶片出口边计算点过水断面面积，单位m2；ψ2-出口边排挤系数，其中，δu2为叶片在出口圆周方向的厚度，单位mm；(4)叶片进口角β1eβ1e＝β1-α式中，α-进口冲角，α＝3°～10°，对比转速低的转轮取大值；β1-叶片进口边液流角，单位°；其中叶片出口液流角β2按如下公式计算：上列式中，vm1-叶片进口轴面速度，单位m/s；u1-叶片进口圆周速度，单位m/s；vu1-叶片进口圆周分速度，单位m/s；Γ1-转轮的进口环量，单位m2/s；r1-叶片进口边计算点半径，单位m；ηV-容积效率；F1-叶片进口边计算点过水断面面积，单位m2；ψ1-进口边排挤系数，其中，δu2为叶片在进口圆周方向的厚度，单位mm；(5)叶片数Z所述的一种液力透平叶轮优化叶片包括长度不同的长叶片和短叶片，长短叶片间隔分布，通常液力透平叶轮叶片数Z＝13～19；初始可取为Z＝16,其中长、短叶片均为8片；(6)长、短叶片长度比k所述的一种液力透平叶轮优化叶片包括长度不同的长叶片和短叶片，其中，长叶片与短叶片之间的长度比其中ll为长叶片长度，ls为短叶片长度；初始设计可取k＝1.2。3.根据权利要求2所述的一种液力透平叶轮优化优化设计方法，其特征在于：步骤2中三个分目标函数η1、η2、η3的约束条件根据以上所述中确定的优化变量X＝[D1、D2、β2e、β1e、Z、k]初设值得到：(1)分目标函数η1(D1、D2)→max中，约束条件分别为[0.8D1、1.2D1]、[0.8D2、1.2D2]；(2)分目标函数η2(β2e、β1e)→max中，约束条件分别为[0.8β2e、1.2β2e]、[0.8β1e、1.2β1e]；(3)分目标函数η3(Z、k)→max中，约束条件分别为{14、16、18}、[1.1、1.25]。4.根据权利要求3所述的一种液力透平叶轮优化优化设计方法，其特征在于:步骤3中三个分目...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹新泽，曹大清，王秀礼，
申请(专利权)人：滨州东瑞机械有限公司，
类型：发明
国别省市：山东,37