一种气液两相叶片泵及其设计方法、装置 |
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申请号 | CN202010721177.6 | 申请日 | 2020-07-24 | 公开(公告)号 | CN111852879B | 公开(公告)日 | 2021-10-15 |
申请人 | 清华大学; | 发明人 | 谭磊; 肖文扬; | ||||
摘要 | 本 发明 公开了一种气液两相 叶片 泵 及其设计方法、装置,其中,包括:气液两相 叶片泵 的 叶轮 包括: 轮毂 和叶片;叶片在延伸方向上具有第一端和第二端,第一端连接进口 角 ,第二端连接出口角。叶片的进口角、出口角由基于含气率预测的两相设计方法进行确定。叶片的型线由中间安放角的分布规律进行确定。由此,气液两相叶片泵的叶轮,在两相工况下可以有效减小气液两相相互作用带来的损失,提高泵的扬程和效率。 | ||||||
权利要求 | 1.一种气液两相叶片泵,其特征在于,所述气液两相叶片泵的叶轮包括:轮毂和叶片; |
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说明书全文 | 一种气液两相叶片泵及其设计方法、装置技术领域背景技术[0002] 近年来,随着石油、食品、化工等行业对输运设备的需求提升,叶片泵在两相混输行业的应用越来越广。采用叶片泵进行两相运输可以减少分离装置的应用和管道铺设,具有经济、环保和高效的优点。 [0003] 目前,叶片泵在两相工况下应用时扬程和效率远远达不到设计要求,主要原因是叶片泵的设计方法一直沿用清水泵的设计方法。通过各类优化算法尽管能够实现叶片泵在两相工况下性能的提升,但需要耗费大量的资源,且缺乏理论支撑,无法进行推广。 [0004] 传统的气液两相叶片泵叶轮叶片设计方法,一般沿用清水泵的设计经验和设计公式。这种设计方法能实现叶片在单相工况下的工作特性,但在实际气液两相混输应用时,入口含气率带来气液两相强烈的相互作用对于气液两相叶片泵的性能提出了很大要求,采用传统方法设计出的泵无法满足在含气工况下运行扬程和效率要求。 发明内容[0005] 本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。 [0006] 为此,本发明的一个目的在于提出一种气液两相叶片泵,气液两相叶片泵的叶轮,在两相工况下可以有效减小气液两相相互作用带来的损失,提高泵的扬程和效率。 [0007] 本发明的另一个目的在于提出一种基于含气率预测的气液两相叶片设计方法,该方法可以快速对气液两相叶片泵的叶片进行设计,有效提升两相工况下气液两相叶片泵的扬程和效率。 [0008] 本发明的再一个目的在于提出一种基于含气率预测的气液两相叶片设计装置。 [0009] 为达到上述目的,本发明一方面实施例提出了一种气液两相叶片泵,包括: [0011] 所述叶片设置于所述轮毂的外周面,且沿所述轮毂的轴向方向螺旋延伸; [0012] 在所述叶片的延伸方向上具有第一端和第二端,所述叶片的第一端的轴面流线的切线与垂直于所述轮毂轴线的平面之间形成进口角,所述叶片的第二端的轴面流线的切线与垂直于所述轮毂轴线的平面之间形成进口角,所述进口角和所述出口角通过基于含气率预测的两相设计方法确定; [0013] 所述叶片包括与所述轮毂连接的轮毂侧,及远离所述轮毂的轮缘侧; [0014] 所述叶片的轴面流线的切线与垂直于所述轮毂侧轴线的平面之间形成的安放角为叶片轮毂侧安放角,所述叶片的轴面流线的切线与垂直于所述轮缘侧轴线的平面之间形成的安放角为叶片轮缘侧安放角;所述叶片轮毂侧安放角和所述叶片轮缘侧安放角沿相对轴面流线的分布规律由迭代确定。 [0015] 为达到上述目的,本发明另一方面实施例提出了基于含气率预测的气液两相叶片设计方法,包括: [0016] S1,根据给定的气液两相叶片泵叶轮的设计流量、扬程和转速,利用单相设计方法得到初始的叶片的安放角分布规律; [0017] S2,根据所述叶片的安放角分布规律和给定的气液两相叶片泵叶轮的入口含气率,利用含气率分布预测模型预测叶轮内的含气率沿轴面流线长度分布规律; [0018] S3,根据所述含气率沿轴面流线长度分布规律求解叶轮内的气相速度和液相速度,分析气液两相速度场受含气率分布规律的影响; [0019] S4,根据所述气相速度和所述液相速度,并基于速度滑移的等效扬程预测模型预测两相工况下的等效扬程; [0020] S5,判断预测的所述两相工况下的等效扬程是否满足设计扬程的要求,若满足,则确定满足设计要求的叶片进口安放角、出口安放角和中间安放角的分布规律;若不满足,则改变叶片的安放角分布规律,返回S2进行迭代,直至满足设计扬程的要求。 [0021] 为达到上述目的,本发明再一方面实施例提出了一种基于含气率预测的气液两相叶片设计装置,包括: [0022] 初始化模块,用于根据给定的气液两相叶片泵叶轮的设计流量、扬程和转速,利用单相设计方法得到初始的叶片的安放角分布规律; [0023] 第一预测模块,用于根据所述叶片的安放角分布规律和给定的气液两相叶片泵叶轮的入口含气率利用含气率分布预测模型预测叶轮内的含气率沿轴面流线长度分布规律; [0024] 计算模块,用于根据所述含气率沿轴面流线长度分布规律求解叶轮内的气相速度和液相速度,分析气液两相速度场受含气率分布规律的影响; [0025] 第二预测模块,根据所述气相速度和所述液相速度,并基于速度滑移的等效扬程预测模型预测两相工况下的等效扬程; [0026] 迭代模块,判断预测的所述两相工况下的等效扬程是否满足设计扬程的要求,若满足,则确定满足设计要求的叶片进口安放角、出口安放角和中间安放角的分布规律;若不满足,则改变叶片的安放角分布规律,执行所述第一预测模块,直至满足设计扬程的要求。 [0027] 本发明实施例的一种气液两相叶片泵及其设计方法、装置的有益效果为:可以快速完成气液两相叶片泵叶轮叶片的设计,有效提升气液两相叶片泵在两相工况下运行的扬程和效率。 [0029] 本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解,其中: [0030] 图1为根据本发明一个实施例的气液两相叶片泵的叶轮的立体示意图; [0031] 图2为根据本发明一个实施例的基于含气率预测的气液两相叶片设计方法流程图; [0032] 图3为根据本发明一个实施例的传统的设计方法设计得到的模型轮毂侧、轮缘侧沿轴面流线长度的叶片安放角分布规律示意图; [0033] 图4为根据本发明一个实施例的气液两相叶片泵叶轮优化设计模型轮毂侧、轮缘侧沿轴面流线长度的叶片安放角分布规律示意图; [0034] 图5为根据本发明一个实施例的基于含气率预测的气液两相叶片设计装置结构示意图。 [0035] 附图标记:叶轮‑100、轮毂‑10、叶片‑20、第一端‑21、第二端‑22、轮毂侧‑23、轮缘侧‑24、安放角‑β0、安放角‑β1。 具体实施方式[0036] 下面详细描述本发明的实施例,所述实施例的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,旨在用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。 [0037] 下面参照附图描述根据本发明实施例提出的一种气液两相叶片泵及其设计方法、装置。 [0038] 首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的一种气液两相叶片泵。 [0039] 图1为根据本发明一个实施例的气液两相叶片泵的叶轮的立体示意图。 [0040] 如图1所示,气液两相叶片泵的叶轮100包括:轮毂10和叶片20; [0041] 叶片20设置于轮毂10的外周面,且沿轮毂10的轴向方向螺旋延伸; [0042] 在叶片20的延伸方向上具有第一端21和第二端22,叶片20的第一端的轴面流线的切线与垂直于轮毂轴线的平面之间形成进口角,叶片的第二端的轴面流线的切线与垂直于轮毂轴线的平面之间形成进口角,进口角和出口角通过基于含气率预测的两相设计方法确定; [0043] 叶片20包括与轮毂连接的轮毂侧23,及远离轮毂的轮缘侧24; [0044] 叶片的轴面流线的切线与垂直于轮毂侧轴线的平面之间形成的安放角为叶片轮毂侧安放角,叶片的轴面流线的切线与垂直于轮缘侧轴线的平面之间形成的安放角为叶片轮缘侧安放角;其中,β0为轴面流线在第一端21的安放角,β1为轴面流线在第二端22的安放角。叶片轮毂侧安放角和叶片轮缘侧安放角沿相对轴面流线的分布规律由迭代确定。 [0045] 根据本发明实施例提出的气液两相叶片泵,可以快速完成气液两相叶片泵叶轮叶片的设计,有效提升气液两相叶片泵在两相工况下运行的扬程和效率。 [0046] 其次参照附图描述根据本发明实施例提出的基于含气率预测的气液两相叶片设计方法。 [0047] 图2为根据发明一个实施例的基于含气率预测的气液两相叶片设计方法流程图。 [0048] 如图2所示,该基于含气率预测的气液两相叶片设计方法包括以下步骤: [0049] S1,根据给定的气液两相叶片泵叶轮的设计流量、扬程和转速,利用单相设计方法得到初始的叶片的安放角分布规律。 [0050] 首先需要给定设计流量、扬程和转速,利用传统的单相设计方法得到初始的叶片20的安放角分布规律如图3所示。 [0051] S2,根据叶片的安放角分布规律和给定的气液两相叶片泵叶轮的入口含气率,利用含气率分布预测模型预测叶轮内的含气率沿轴面流线长度分布规律。 [0052] 在本发明的实施例中,给定气液两相叶片泵叶轮100的入口含气率,根据叶片的安放角分布规律和给定的气液两相叶片泵叶轮的入口含气率,利用以下含气率分布预测模型预测叶轮100内的含气率沿轴面流线长度分布规律: [0053] [0054] 其中,α(s)表示叶轮内的含气率分布,s为流线长度,ρ表示密度, 表示入口质量流量,下标“l”和“g”分别表示液体和气体,A为流道的截面积,β为叶片安放角,r为叶轮的半径,Cd为阻力系数,rg为气泡半径。 [0055] S3,根据含气率沿轴面流线长度分布规律求解叶轮内的气相速度和液相速度,分析气液两相速度场受含气率分布规律的影响。 [0056] 利用含气率沿轴面流线长度分布规律求解叶轮内的气相速度 和液相速度 分析气液两相速度场受含气率分布规律的影响。 [0057] S4,根据气相速度和液相速度,并基于速度滑移的等效扬程预测模型预测两相工况下的等效扬程。 [0058] 根据求解得到的气液两相速度场,计算考虑速度滑移的等效扬程: [0059] [0060] 其中,V为绝对速度,u为周向速度,W为相对速度,下标“1”和“2”分别表示叶轮进口和叶轮出口,x为入口气相质量分数,g为重力加速度。 [0061] S5,判断预测的两相工况下的等效扬程是否满足设计扬程的要求,若满足,则确定满足设计要求的叶片进口安放角、出口安放角和中间安放角的分布规律;若不满足,则改变叶片的安放角分布规律,返回S2进行迭代,直至满足设计扬程的要求。 [0062] 在本发明的实施例中,若通过上式计算所得的等效扬程不满足设计扬程要求,则改变叶轮100的安放角分布规律并进行迭代计算,最终得到满足设计扬程要求的叶片安放角分布规律如图4所示。 [0063] 相比于传统的设计方法,上述设计方法设计的气液两相叶片泵的叶轮水力性能得到提升。与原有的气液两相叶片泵相比,采用两相方法设计所得的叶轮名义扬程相对于原型泵提升了15.74%;出口段监测得到整个压缩级的压升提升了10.06%;整个压缩级的效率提升了2.2个百分点,以上可以证明基于含气率预测的叶片两相工况设计方法的可行性及优越性。 [0064] 本发明实施例基于含气率预测的气液两相叶片设计方法是从理论层面推导得到的气液两相叶片泵叶轮设计方法,是有效提升气液两相叶片泵在两相工况下运行性能的重要途径。设计的气液两相叶片泵,可以快速完成气液两相叶片泵叶轮叶片的设计,有效提升气液两相叶片泵在两相工况下运行的扬程和效率。 [0065] 参照附图描述根据本发明实施例提出的基于含气率预测的气液两相叶片设计装置。 [0066] 图5为根据发明一个实施例的基于含气率预测的气液两相叶片设计装置结构示意图。 [0067] 如图5所示,该基于含气率预测的气液两相叶片设计装置包括:初始化模块100、第一预测模块200、计算模块300、第二预测模块400和迭代模块500。 [0068] 初始化模块100,用于根据给定的气液两相叶片泵叶轮的设计流量、扬程和转速,利用单相设计方法得到初始的叶片的安放角分布规律。 [0069] 第一预测模块200,用于根据叶片的安放角分布规律和给定的气液两相叶片泵叶轮的入口含气率利用含气率分布预测模型预测叶轮内的含气率沿轴面流线长度分布规律。 [0070] 计算模块300,用于根据含气率沿轴面流线长度分布规律求解叶轮内的气相速度和液相速度,分析气液两相速度场受含气率分布规律的影响。 [0071] 第二预测模块400,根据气相速度和液相速度,并基于速度滑移的等效扬程预测模型预测两相工况下的等效扬程。 [0072] 迭代模块500,判断预测的两相工况下的等效扬程是否满足设计扬程的要求,若满足,则确定满足设计要求的叶片进口安放角、出口安放角和中间安放角的分布规律;若不满足,则改变叶片的安放角分布规律,执行第一预测模块,直至满足设计扬程的要求。 [0073] 进一步地,在本发明的一个实施例中,含气率分布预测模型为: [0074] [0075] 其中,α(s)表示叶轮内的含气率分布,s为流线长度,ρ表示密度, 表示入口质量流量,下标“l”和“g”分别表示液体和气体,A为流道的截面积,β为叶片安放角,r为叶轮的半径,Cd为阻力系数,rg为气泡半径。 [0076] 进一步地,在本发明的一个实施例中,气相速度为: [0077] [0078] 液相速度为: [0079] [0080] 进一步地,在本发明的一个实施例中,两相工况下的等效扬程为: [0081] [0082] 其中,V为绝对速度,u为周向速度,W为相对速度,下标“1”和“2”分别表示叶轮进口和叶轮出口,x为入口气相质量分数,g为重力加速度。 [0083] 需要说明的是,前述对方法实施例的解释说明也适用于该实施例的装置,此处不再赘述。 [0084] 根据本发明实施例提出的基于含气率预测的气液两相叶片设计装置,是从理论层面推导得到的气液两相叶片泵叶轮设计方法,是有效提升气液两相叶片泵在两相工况下运行性能的重要途径。设计的气液两相叶片泵,可以快速完成气液两相叶片泵叶轮叶片的设计,有效提升气液两相叶片泵在两相工况下运行的扬程和效率。 [0085] 此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中,“多个”的含义是至少两个,例如两个,三个等,除非另有明确具体的限定。 [0086] 在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外,在不相互矛盾的情况下,本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。 |