一种径流式透平机械一维设计评估及优化方法技术

本发明专利技术一种径流式透平机械一维设计评估及优化方法，包括：建立备选损失模型数据库，生成初始损失模型配置，根据任一初始损失模型进行一维计算获得验证透平机械几何参数；根据验证透平机械几何参数进行建模，随后针对验证透平机械进行变工况CFD计算，后处理获得透平机械真实性能数据，总结验证透平机械几何参数、变工况边界条件集及透平机械真实性能数据获得验证数据集；以初始损失模型配置作为初始化种群，根据验证数据集中的透平机械几何参数及变工况边界条件集进行一维计算，采用遗传算法对损失模型配置进行优化，获得最佳一维损失模型配置；根据获得的最佳一维损失模型配置进行透平机械设计。本发明专利技术能够快速、准确获得最佳损失模型配置。损失模型配置。损失模型配置。

【技术实现步骤摘要】
一种径流式透平机械一维设计评估及优化方法


[0001]本专利技术属于能源动力领域，特别涉及一种径流式透平机械一维设计评估及优化方法。

技术介绍

[0002]透平机械作为动力循环的核心部件，其性能将直接影响循环系统的功率及效率。径流式透平机械因其尺寸小、重量轻、结构简单、易于维护、价格低廉等特点，广泛应用于余热利用、有机工质等中小型动力循环中。
[0003]一维设计是透平机械设计的第一步，通过一维设计可以快速获得透平机械主要几何尺寸、预测透平机械热力参数及性能参数。一维设计的水平高低直接影响最终获得的透平机械性能及设计周期。损失预估是一维设计中最重要的一环，因其直接影响流动参数沿程变化情况。在长期的技术发展过程中，各国机构及科研工作者积累了许多经验数据及公式。然而，随着透平机械不断发展，新的应用场景及新的应用工质给透平机械的设计增加了新的考验，新颖的透平机械结构以及特殊工质物性、换热规律的特殊性使得传统经验数据及公式的适用性难以保证。尽管各国机构及科研工作者总结了大量的损失模型，目前关于一维设计中的损失模型的选取往往取决于设计者的经验，具有很大的盲目性。此外，一维设计对于变工况情况下透平机械性能参数的预测精度往往较差，往往需要基于物理模型的CFD(计算流体动力学)求解来获得透平机械的变工况性能，大大增加了新产品研发成本与耗时。
[0004]因此亟待提出一种径流式透平机械一维设计评估及优化方法，可以根据应用场景及应用工质选取最佳损失模型，使得一维设计能够快速、高效地设计性能优异的透平，同时准确预测透平机械性能及变工况参数。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种径流式透平机械一维设计评估及优化方法，以解决上述存在的技术问题。本专利技术总结现有各种损失模型建立损失模型数据库，根据应用场景及应用工质构建透平机械验证数据集，采用遗传算法对一维设计中的损失模型配置进行优化，能够快速、准确获得最佳损失模型配置，提高透平机械一维设计的准确性及变工况预测精度。
[0006]本专利技术采用以下技术方案来实现的：
[0007]一种径流式透平机械一维设计评估及优化方法，包含以下步骤：
[0008]步骤1：建立备选损失模型数据库，生成初始损失模型配置，针对当前应用场景及应用工质，根据任一初始损失模型进行一维计算获得验证透平机械几何参数；
[0009]步骤2：根据验证透平机械几何参数进行建模，随后针对验证透平机械进行变工况CFD计算，后处理获得透平机械真实性能数据，总结验证透平机械几何参数、变工况边界条件集及透平机械真实性能数据获得验证数据集；
[0010]步骤3：以初始损失模型配置作为初始化种群，根据验证数据集中的透平机械几何参数及变工况边界条件集进行一维计算，采用遗传算法对损失模型配置进行优化，获得最佳一维损失模型配置；
[0011]步骤4：根据获得的最佳一维损失模型配置进行透平机械设计。
[0012]本专利技术进一步的改进在于，步骤1具体包括：
[0013]首先总结现有的各项损失模型公式，建立损失模型数据库，一维设计中透平机械的损失模型包含以下几类：入射损失、通道损失、尾迹损失、叶顶间隙损失、余速损失及鼓风损失；
[0014]将入射损失、通道损失、尾迹损失、叶顶间隙损失、余速损失及鼓风损失编号1至6，形成损失模型的一维设计变量矩阵x＝(x1,x2,
…
,x6)，x1‑6取值为整数，不同值代表不同的损失模型公式；随机生成N组初始变量x
n
，其中n＝1,
…
N，N为初始变量总数；
[0015]针对当前应用场景及应用工质，给定M组不同设计参数，选取任一损失模型组合进行一维热力设计，获得M个验证透平机械的几何参数z
m
，其中m＝1,
…
M，M为验证透平机械总数，其中M取值为3
‑
5。
[0016]本专利技术进一步的改进在于，步骤1中常用的损失模型公式如下：
[0017]其中，入射损失常用的损失模型公式如下：
[0018][0019][0020][0021][0022]式中，W
in
为进口相对速度，β
in
为实际进口相对气流角，β
in,opt
为最佳进口相对气流角，Z
r
为叶片数，C
θ,in
为进口绝对速度的切向分量，M
in
为进口马赫数，α
in
为进口绝对气流角，U
in
为进口线速度，κ为权重系数，K1为入射损失可调节系数；
[0023]通道损失常用损失模型公式如下：
[0024][0025][0026][0027]式中，W
in
为进口相对速度，W
out
为出口相对速度，β
in
为实际进口相对气流角，β
in,opt
为最佳进口相对气流角，C
in
为进口绝对速度，r
in
为进口半径，r
C
为平均曲率半径，Z
r
为叶片数，K2为通道损失可调节系数；
[0028]尾迹损失常用损失模型公式如下：
[0029][0030][0031]式中，γ为绝热系数，M
out,rel
为出口实际马赫数，P
0,out,rel
为出口相对压力，ρ
out
为出口密度；
[0032]叶顶间隙损失常用损失模型公式如下：
[0033][0034][0035][0036][0037]式中，U
in
为进口线速度，Z
r
为叶片数，ε
x
为轴向叶顶间隙，ε
r
为径向叶顶间隙，C
x
为轴向绝对速度，C
r
为径向绝对速度，ΔH
is
为等熵焓降，t为叶片厚度，b
in
为进口叶高，r
out,sh
为出口叶顶半径，r
out,hb
为出口叶根半径，C
θ,in
为进口绝对速度的切向分量，C
out,m
为出口绝对速度的子午面分量，b
out
为出口叶高，K
x
、K
r
、K
xr
均为叶顶间隙损失可调节系数；
[0038]余速损失常用损失模型公式如下：
[0039][0040][0041]式中，C
out
为出口绝对速度，C
d
为余速损失可调节系数；
[0042]鼓风损失常用损失模型公式如下：
[0043][0044][0045][0046]式中，为平均密度，U
in
为进口线速度，r
in
为进口半径，r
out
为出口平均半径，m本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种径流式透平机械一维设计评估及优化方法，其特征在于，包含以下步骤：步骤1：建立备选损失模型数据库，生成初始损失模型配置，针对当前应用场景及应用工质，根据任一初始损失模型进行一维计算获得验证透平机械几何参数；步骤2：根据验证透平机械几何参数进行建模，随后针对验证透平机械进行变工况CFD计算，后处理获得透平机械真实性能数据，总结验证透平机械几何参数、变工况边界条件集及透平机械真实性能数据获得验证数据集；步骤3：以初始损失模型配置作为初始化种群，根据验证数据集中的透平机械几何参数及变工况边界条件集进行一维计算，采用遗传算法对损失模型配置进行优化，获得最佳一维损失模型配置；步骤4：根据获得的最佳一维损失模型配置进行透平机械设计。2.根据权利要求1所述的一种径流式透平机械一维设计评估及优化方法，其特征在于，步骤1具体包括：首先总结现有的各项损失模型公式，建立损失模型数据库，一维设计中透平机械的损失模型包含以下几类：入射损失、通道损失、尾迹损失、叶顶间隙损失、余速损失及鼓风损失；将入射损失、通道损失、尾迹损失、叶顶间隙损失、余速损失及鼓风损失编号1至6，形成损失模型的一维设计变量矩阵x＝(x1,x2,
…
,x6)，x1‑6取值为整数，不同值代表不同的损失模型公式；随机生成N组初始变量x
n
，其中n＝1,
…
N，N为初始变量总数；针对当前应用场景及应用工质，给定M组不同设计参数，选取任一损失模型组合进行一维热力设计，获得M个验证透平机械的几何参数z
m
，其中m＝1,
…
M，M为验证透平机械总数，其中M取值为3
‑
5。3.根据权利要求2所述的一种径流式透平机械一维设计评估及优化方法，其特征在于，步骤1中常用的损失模型公式如下：其中，入射损失常用的损失模型公式如下：其中，入射损失常用的损失模型公式如下：其中，入射损失常用的损失模型公式如下：其中，入射损失常用的损失模型公式如下：式中，W
in
为进口相对速度，β
in
为实际进口相对气流角，β
in,opt
为最佳进口相对气流角，Z
r
为叶片数，C
θ,in
为进口绝对速度的切向分量，M
in
为进口马赫数，α
in
为进口绝对气流角，U
in
为进口线速度，κ为权重系数，K1为入射损失可调节系数；通道损失常用损失模型公式如下：
式中，W
in
为进口相对速度，W
out
为出口相对速度，β
in
为实际进口相对气流角，β
in,opt
为最佳进口相对气流角，C
in
为进口绝对速度，r
in
为进口半径，r
C
为平均曲率半径，Z
r
为叶片数，K2为通道损失可调节系数；尾迹损失常用损失模型公式如下：尾迹损失常用损失模型公式如下：式中，γ为绝热系数，M
out,rel
为出口实际马赫数，P
0,out,rel
为出口相对压力，ρ
out
为出口密度；叶顶间隙损失常用损失模型公式如下：叶顶间隙损失常用损失模型公式如下：叶顶间隙损失常用损失模型公式如下：叶顶间隙损失常用损失模型公式如下：式中，U
in
为进口线速度，Z
r
为叶片数，ε
x
为轴向叶顶间隙，ε
r
为径向叶顶间隙，C
x
为轴向绝对速度，C
r
为径向绝对速度，ΔH
is
为等熵焓降，t为叶片厚度，b
in
为进口叶高，r
out,sh
为出口叶顶半径，r
out,hb
为出口叶根半径，C
θ,in
为进口绝对速度的切向分量，C
out,m
为出口绝对速度的子午面分量，b
out
为出口叶高，K
x
、K
r
、K
xr
均为叶顶间隙损失可调节系数；余速损失常用损失模型公式如下：余速损失常用损失模型公式如下：式中，C
out
为出口绝对速...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢永慧，李金星，施东波，张荻，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：