[發(fā)明專利]一種考慮徑向流體力影響的低溫液體膨脹機(jī)轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速的預(yù)測方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810008375.0
• 申請日: 2018-01-04
• 公開（公告）號: CN108287952B
• 公開（公告）日: 2021-01-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 孫金菊;袁寧波;宋鵬
• 申請（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責(zé)任公司 61200
• 代理人: 徐文權(quán)

1.一種考慮徑向流體力影響的低溫液體膨脹機(jī)轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速的預(yù)測方法，其特征在于，包括考慮低溫流體熱力學(xué)效應(yīng)的低溫液體膨脹機(jī)全周瞬態(tài)流場的模擬、低溫液體膨脹機(jī)葉輪徑向流體力的計(jì)算、低溫液體膨脹機(jī)葉輪徑向流體力對臨界轉(zhuǎn)速影響的評估以及考慮徑向流體力影響的低溫液體膨脹機(jī)轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速的預(yù)測；

考慮低溫流體熱力學(xué)效應(yīng)的低溫液體膨脹機(jī)全周瞬態(tài)流場的模擬包括以下步驟：

在整機(jī)環(huán)境下，建立包含蝸殼、葉輪、噴嘴及擴(kuò)壓管的低溫液體膨脹機(jī)整機(jī)全周物理模型，再對所述低溫液體膨脹機(jī)整機(jī)全周物理模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，以捕捉葉輪內(nèi)流動的非對稱特性；

構(gòu)建多組分低溫流體的壓力及溫度的二元物性文件，以描述低溫流體的熱力學(xué)特性；將低溫流體的定壓比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、動力粘性系數(shù)及密度表示為溫度與壓力的二元函數(shù)，并將所述二元函數(shù)編制成適用于流場求解器接口的低溫流體熱物性文件；

將低溫流體熱物性文件與低溫液體膨脹機(jī)內(nèi)流場-熱場耦合求解相結(jié)合，通過所述物性文件的更新及流場的反復(fù)迭代，以獲得考慮低溫流體熱力學(xué)效應(yīng)的低溫液體膨脹機(jī)瞬態(tài)流場結(jié)果，所述低溫液體膨脹機(jī)瞬態(tài)流場結(jié)果包括葉輪內(nèi)的瞬態(tài)靜壓分布；

低溫液體膨脹機(jī)葉輪徑向流體力的計(jì)算包括以下步驟：

通過葉輪內(nèi)表面的面積積分計(jì)算作用于葉輪上的流體力在橫向平面內(nèi)的分量F_x(t)及F_y(t)，其中，

其中，x及y分別為與轉(zhuǎn)軸垂直的橫向平面內(nèi)的兩個(gè)坐標(biāo)軸，t為時(shí)間，dA_x及dA_y分別為葉輪內(nèi)表面微元面積在兩個(gè)坐標(biāo)面上的投影，F(xiàn)_x(t)及F_y(t)分別為作用于葉輪上的流體力在x軸及y軸方向上的分量；

則作用于葉輪上的瞬態(tài)徑向流體力F_r(t)為：

考慮徑向流體力影響的低溫液體膨脹機(jī)轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速的預(yù)測的具體過程為：

1)根據(jù)轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)建立臨界轉(zhuǎn)速預(yù)測用有限元模型，所述臨界轉(zhuǎn)速預(yù)測用有限元模型包括轉(zhuǎn)軸幾何模型、軸承的等效彈簧模型及葉輪圓盤單元，然后再確定基本參數(shù)，所述基本參數(shù)包括節(jié)點(diǎn)參數(shù)、單元參數(shù)、材料參數(shù)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的上下限及計(jì)算步數(shù)；

2)構(gòu)建轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速的計(jì)算模型方程，所述轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速的計(jì)算模型方程為：

其中，總質(zhì)量矩陣M為圓盤單元質(zhì)量矩陣M_d與軸段單元質(zhì)量矩陣的疊加矩陣，其中，m為考慮徑向流體力影響的葉輪總等效質(zhì)量，J_d為葉輪轉(zhuǎn)動慣量，得葉輪的總質(zhì)量矩陣M、總剛度矩陣K及總阻尼矩陣C；

3)令U＝Xe^λt,則有

(λ²M+λC+K)X＝0

由上式得：

其中，I為單位矩陣；

令則有

AY＝λBY

得系數(shù)矩陣A及B；

4)利用自編典型廣義特征值的求解程序，得系數(shù)矩陣A及B的特征值λ；

5)系數(shù)矩陣A及B的特征值λ的虛部ω為轉(zhuǎn)子振動的固有頻率，通過對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n均勻遞增迭代，得系數(shù)矩陣A及B特征值λ的虛部ω的系列值，然后根據(jù)系數(shù)矩陣A及B特征值λ的虛部ω的系列值構(gòu)建系數(shù)矩陣A及B特征值λ的列向量，最后將所述列向量逐一進(jìn)行合并，得完整的系數(shù)矩陣A及B特征值矩陣；

6)將完整的系數(shù)矩陣A及B特征值矩陣中的各列進(jìn)行曲線擬合，求解擬合得到的曲線與直線ω＝n的交點(diǎn)，并將交點(diǎn)對應(yīng)的轉(zhuǎn)速作為對應(yīng)工況下考慮徑向流體力影響的轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的考慮徑向流體力影響的低溫液體膨脹機(jī)轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速的預(yù)測方法，其特征在于，低溫液體膨脹機(jī)葉輪徑向流體力對臨界轉(zhuǎn)速影響的評估包括作用轉(zhuǎn)子上的最大徑向流體力的確定、葉輪徑向流體力的等效質(zhì)量m_equ的計(jì)算、考慮轉(zhuǎn)子徑向流體力影響的葉輪總等效質(zhì)量m的計(jì)算。