本發明屬于旋轉機械，涉及一種氣液兩相密封轉子動力特性數值求解方法及系統。

背景技術：

1、由于陸地石油與天然氣資源探明量有限以及全球對能源的需求不斷增加，近海與遠海內存儲的化石能源的探明與開采受到了廣大國家的重視。在海上對石油及天然氣的開采與輸運也對該行業內使用的先進混輸葉輪機械，如濕氣壓縮機、多項泵等，的設計與安全穩定運行帶來了更多的挑戰。直接對氣液兩相工質進行輸運能去除氣液分離裝置，在海上油氣開采平臺空間有限情況下能夠節約成本并降低開采系統的尺寸與重量。

2、葉輪機械中的密封結構除了控制工質泄漏，在轉子靜態偏心或渦動偏心狀態下密封段中的工質作用在轉子上的作用力也會對軸系的穩定性產生影響。而液相工質中混入氣相組分或氣相工質中混入液相組分均會對軸系的穩定運行以及機組安全性帶來不可忽略的影響。目前針對應用于氣液兩相環境中的動密封轉子動力特性研究主要集中在實驗領域，對于密封內部氣液兩相工質的流場細節缺乏足夠的了解。同時大量關于氣液兩相密封的研究局限于光滑密封結構，對于其他液相密封型式在氣液兩相環境中的泄漏特性和轉子動力特性仍缺少足夠研究。

3、發展能準確評估葉輪機械旋轉密封在兩相環境下泄漏特性與轉子動力特性的數值計算方法不僅能有效獲得密封內部兩相流場，相對于開展實驗也能更快速更節省的對氣液兩相環境下密封轉子系統的穩定性進行評估。同時發展兩相密封轉子動力特性數值方法也為研究兩相環境下先進的低泄漏、高阻尼的密封結構提供了方便的手段。

技術實現思路

1、本發明的目的在于克服上述現有技術的缺點，提供了一種氣液兩相密封轉子動力特性數值求解方法及系統，該方法及系統能夠準確計算氣液兩相密封轉子動力特性數值。

2、為達到上述目的，本發明采用如下技術方案：

3、本發明一方面，本發明提供了一種氣液兩相密封轉子動力特性數值求解方法，包括：

4、判斷氣液兩相工質的流型；

5、根據氣液兩相工質的流型設置氣相工質及液相工質的類型；

6、采用非均質euler-euler模型求解密封進出口物性參數，根據所述密封進出口物性參數求解密封進出口氣相介質的韋伯數，通過韋伯數對液滴或氣泡直徑進行校核；

7、采用轉子橢圓多頻渦動模型及非均質euler-euler模型計算時域下的流體激振力及轉子渦動位移；

8、將時域下的流體激振力及轉子渦動位移轉化為頻域信號，根據頻域信號求解阻抗系數；

9、根據氣液兩相工質的流型，對阻抗系數進行特性系數的提取。

10、本發明所述氣液兩相密封轉子動力特性數值求解方法進一步的改進在于：

11、進一步的，所述判斷氣液兩相工質的流型的過程為：

12、獲取baker流型圖及氣液兩相工質物性參數，根據baker流型圖以及氣液兩相工質物性參數，判斷氣液兩相工質的流型，所述氣液兩相工質的流型為霧狀流或氣泡流。

13、進一步的，根據液體質量流量gl、氣體質量流量gg、液體密度與標準狀態下水密度的比值δl、氣體密度與標準狀態下空氣密度的比值δg、液體粘度μl、液體密度ρl、通流面積am、液體表明張力σl確定baker流型圖中的橫縱坐標；

14、在baker流型圖中獲得霧狀流和氣泡流流型的擬合線邊界，并結合在baker流型圖的橫縱坐標判斷氣液兩相工質的流型。

15、進一步的，所述根據氣液兩相工質的流型設置氣相工質及液相工質的類型的過程為：

16、當所述氣液兩相工質的流型為霧狀流時，則設置所述氣相工質為連續介質，液相工質為分散液滴；當氣液兩相工質的流型為氣泡流時，則設置液相工質為連續介質，氣相工質為分散氣泡。

17、進一步的，根據小位移渦動理論，采用轉子橢圓多頻渦動模型及非均質euler-euler模型計算時域下的流體激振力及轉子渦動位移。

18、進一步的，采用快速傅里葉變換將時域下的流體激振力及轉子渦動位移轉化為頻域信號，根據頻域信號求解阻抗系數。

19、進一步的，所述根據氣液兩相工質的流型，對阻抗系數進行特性系統的提取的過程為：

20、當氣液兩相工質的流型為霧狀流時，從阻抗系數中提取頻率相關轉子動力特性系數；當氣液兩相工質的流型為氣泡流時，從阻抗系數中提取頻率無關轉子動力特性系數。

21、進一步的，當氣液兩相工質的流型為氣泡流時，將阻抗系數的實部與虛部分別關于渦動頻率的平方與渦動頻率進行線性擬合，獲得頻率無關的剛度系數、阻尼系數及虛擬質量系數。

22、本發明二方面，本發明提供了一種氣液兩相密封轉子動力特性數值求解系統，包括：

23、判斷模塊，用于判斷氣液兩相工質的流型；

24、設置模塊，用于根據氣液兩相工質的流型設置氣相工質及液相工質的類型；

25、校核模塊，用于采用非均質euler-euler模型求解密封進出口物性參數，根據所述密封進出口物性參數求解密封進出口氣相介質的韋伯數，通過韋伯數對液滴或氣泡直徑進行校核；

26、計算模塊，用于采用轉子橢圓多頻渦動模型及非均質euler-euler模型計算時域下的流體激振力及轉子渦動位移；

27、求解模塊，用于將時域下的流體激振力及轉子渦動位移轉化為頻域信號，根據頻域信號求解阻抗系數；

28、提取模塊，用于根據氣液兩相工質的流型，對阻抗系數進行特性系數的提取。

29、本發明所述氣液兩相密封轉子動力特性數值求解系統進一步的改進在于：

30、進一步的，所述判斷氣液兩相工質的流型的過程為：

31、獲取baker流型圖及氣液兩相工質物性參數，根據baker流型圖以及氣液兩相工質物性參數，判斷氣液兩相工質的流型，所述氣液兩相工質的流型為霧狀流或氣泡流。

32、本發明具有以下有益效果：

33、本發明所述的氣液兩相密封轉子動力特性數值求解方法及系統在具體操作時，引入baker流型圖來對葉輪機械旋轉密封中兩相工質流型進行判定，適用范圍較廣且覆蓋了大部分兩相流動工況。另外，在數值計算過程中，對密封進出口氣泡或液滴的韋伯數進行校核，根據校核結果選擇合適的氣泡或液滴直徑使其不會進一步破裂，確保數值模擬盡可能接近真實工況。同時，通過流型判斷結果在數值計算前處理中將氣(液)工質分別設置為離散相或連續相，同時針對不同的流型采用不同的力-位移線性方程與轉子動力特性系數提取方式。

技術特征：

1.一種氣液兩相密封轉子動力特性數值求解方法，其特征在于，包括：

2.根據權利要求1所述的氣液兩相密封轉子動力特性數值求解方法，其特征在于，所述判斷氣液兩相工質的流型的過程為：

3.根據權利要求2所述的氣液兩相密封轉子動力特性數值求解方法，其特征在于，根據液體質量流量gl、氣體質量流量gg、液體密度與標準狀態下水密度的比值δl、氣體密度與標準狀態下空氣密度的比值δg、液體粘度μl、液體密度ρl、通流面積am、液體表明張力σl確定baker流型圖中的橫縱坐標；

4.根據權利要求1所述的氣液兩相密封轉子動力特性數值求解方法，其特征在于，所述根據氣液兩相工質的流型設置氣相工質及液相工質的類型的過程為：

5.根據權利要求1所述的氣液兩相密封轉子動力特性數值求解方法，其特征在于，根據小位移渦動理論，采用轉子橢圓多頻渦動模型及非均質euler-euler模型計算時域下的流體激振力及轉子渦動位移。

6.根據權利要求1所述的氣液兩相密封轉子動力特性數值求解方法，其特征在于，采用快速傅里葉變換將時域下的流體激振力及轉子渦動位移轉化為頻域信號，根據頻域信號求解阻抗系數。

7.根據權利要求1所述的氣液兩相密封轉子動力特性數值求解方法，其特征在于，所述根據氣液兩相工質的流型，對阻抗系數進行特性系統的提取的過程為：

8.根據權利要求7所述的氣液兩相密封轉子動力特性數值求解方法，其特征在于，當氣液兩相工質的流型為氣泡流時，將阻抗系數的實部與虛部分別關于渦動頻率的平方與渦動頻率進行線性擬合，獲得頻率無關的剛度系數、阻尼系數及虛擬質量系數。

9.一種氣液兩相密封轉子動力特性數值求解系統，其特征在于，包括：

10.根據權利要求9所述的氣液兩相密封轉子動力特性數值求解系統，其特征在于，所述判斷氣液兩相工質的流型的過程為：

技術總結
本發明公開了一種氣液兩相密封轉子動力特性數值求解方法及系統，包括：判斷氣液兩相工質的流型；根據氣液兩相工質的流型設置氣相工質及液相工質的類型；采用非均質Euler?Euler模型求解密封進出口物性參數，根據所述密封進出口物性參數求解密封進出口氣相介質的韋伯數，通過韋伯數對液滴或氣泡直徑進行校核；采用轉子橢圓多頻渦動模型及非均質Euler?Euler模型計算時域下的流體激振力及轉子渦動位移；將時域下的流體激振力及轉子渦動位移轉化為頻域信號，根據頻域信號求解阻抗系數；根據氣液兩相工質的流型，對阻抗系數進行特性系數的提取，該方法及系統能夠準確計算氣液兩相密封轉子動力特性數值。

技術研發人員：高慶,李軍,屈杰,宋鵬飛,胡文帥,雷隆,章亞龍,薛文松,李志剛,曾立飛,谷偉偉,朱蓬勃,張永海,高登攀
受保護的技術使用者：西安西熱節能技術有限公司
技術研發日：
技術公布日：2025/4/28