低溫液體透平膨脹機旋渦空化流動研究和控制

《低溫液體透平膨脹機旋渦空化流動研究和控制》是依託西安交通大學，由孫金菊擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：低溫液體透平膨脹機旋渦空化流動研究和控制
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：孫金菊
• 依託單位：西安交通大學

中文摘要

低溫液體透平膨脹機是低溫循環關鍵節能設備，用於替代低溫空分和天然氣液化裝置中傳統高壓液體節流閥，使循環總能耗降低3-6%。本課題組通過十餘年研發，在液體膨脹機關鍵技術上取得突破，研製的樣機實測性能達到同期國外產品指標, 填補了國內空白。但無論在空分還是在液化裝置中，液體膨脹機均用在主流程，其運行穩定性要求很高。我們前期初步研究表明，與水輪機相似，在非設計工況，液體膨脹機發生了顯著旋渦空化。導致輸出介質流量、壓力等大幅脈動，將誘發關鍵部件表面氣蝕破壞和機組振動，威脅整個系統安全運行。而低溫流體熱力學效應顯著，使得液體膨脹機旋渦空化流動更複雜，其成因及主要影響參數等尚不明晰。本項目將通過深入系統的數值和實驗研究，探明流動機理，獲得旋渦空化表征方法；以抑制旋渦空化為目標，建立膨脹機內流最佳化控制方法。提升其性能及運行穩定性，促進此項節能技術在高能耗空分和液化裝置中推廣套用，具有顯著經濟和社會意義。

結題摘要

按照項目計畫，完成了各項內容的系統研究，主要包括低溫液體膨脹機旋渦空化流動研究、旋渦空化流動的表征；基於低溫實驗的數值方法驗證和空化模型驗證及改進；旋渦空化的抑制等。通過上述內容的研究，探明了液體膨脹機內流機理和空化機制，獲得了旋渦空化的表征方法；以抑制旋渦空化為最佳化目標，以膨脹機旋渦空化的敏感幾何參數為變數，發展了全液體膨脹機和兩相膨脹機內流最佳化控制和空化抑制的方法，形成了自主化的專有技術，並申請了國家發明專利。在項目的執行期間取得了多方面的成果：獲得美國發明專利授權1件、中國國家發明專利授權1件；申請國家發明專利8件；發表SCI/EI高水平英文學術論文8篇；實現了液體膨脹機專利技術的工業轉化套用，簽訂液體膨脹機技術許可套用契約1份（100萬元）；培養博士後、博士生、碩士生十餘名。此外，項目執行期間骨幹成員參加國際高水平學術會議5人次；國外/海外聯合培養和合作研究2人次；應邀參數國內行業大會並做主旨演講2人次。研究成果具有重要理論學術意義和套用價值。在某種程度上彌補了低溫空化理論和基礎數據等方面的不足，同時為低溫液力機械（如液體膨脹機和泵）的空化研究和抗空化設計提供了重要參考。為本課題組的自主化低溫液體膨脹機技術在工業空分和天然氣液化領域的推廣套用提供了重要支撐。