[发明专利]一种液力透平叶轮优化设计方法

说明书

本发明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。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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

本发明的创新点在于，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，与本发明专利相关的专利有：径流式液力透平优化设计方法(公开号：CN102608914 A)，本发明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：CN104331553 A)，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。

发明内容

为了改进液力透平运行中过程遇到的问题，本发明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。

本发明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、β_2e、β_1e、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β_2e、叶片进口角β_1e、叶片数Z和长、短叶片长度比k；