[發明專利]一種有機朗肯循環向心透平的分層協同優化設計方法

在審

• 申請號: 202210046295.0
• 申請日: 2022-01-14
• 公開（公告）號: CN114398832A
• 公開（公告）日: 2022-04-26
• 發明（設計）人: 王志奇;楊胡婭;謝寶琦;夏小霞;羅蘭;徐澤華;孫童;趙亞斌
• 申請（專利權）人: 湘潭大學
• 主分類號: G06F30/27
• 分類號: G06F30/27;G06F30/23;G06N3/08;G06T17/20;G06F111/06;G06F119/08
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1.一種有機朗肯循環向心透平的分層協同優化設計方法，其特征在于，包括如下步驟：

(1)根據有機朗肯循環的實際工作條件，輸入熱源溫度、熱源流量、環境溫度及循環工質。

(2)根據向心透平一維氣動設計方法，選取透平入口壓力(P_t)、過熱度(ΔT)、壓比(П_T)、轉速(N_s)、速比(U)、反動度(Ω)等6個參數為透平性能的設計變量，建立透平軸效率與功率的數學模型。

(3)建立有機朗肯循環熱經濟性能的數學模型，將透平設計參數、循環蒸發器夾點溫度(△T_e)、冷凝器夾點溫度(△T_c)選取為設計變量，以循環熱效率(η_I)最高、投資回收期(PBP)最短、透平軸效率(η_t)最高、透平尺寸(TPcc)最小為目標，建立循環熱經濟性能的多目標優化模型。

設定約束條件C的關系式為：

(4)利用Matlab編寫有機朗肯循環多目標優化計算程序，利用NSGA-II算法對選擇的8個設計參數進行優化，獲得多目標優化的Pareto前沿解集，并確定向心透平的最優氣動參數。

(5)將透平葉柵及葉輪葉型控制點與對應基點的距離作為透平葉型的設計變量，利用拉丁超立方方法設計透平葉型控制點的試驗方案。

(6)建立各個方案向心透平的三維模型，對透平三維模型進行網格劃分，設置透平模擬的邊界條件，并對透平仿真模型的可靠性進行驗證；在此基礎上，利用CFX軟件對不同方案下的透平性能進行模擬分析，獲得各個方案下透平的輸出功率。

(7)建立流動熵產數學模型并編寫熵產的計算程序，對透平內部流場進行處理，得到透平內部的局部熵產分布；對整個透平內部局部熵產進行積分，得到不同方案下透平總的積分熵產。

(8)利用Matlab建立BP神經網絡數學模型，選取85％模擬方案的計算結果作為訓練樣本，對BP神經網絡進行訓練，并以剩余15％樣本驗證神經網絡預測的準確性。

(9)以透平輸出功率與總積分熵產為目標函數，以葉型控制參數為設計變量，建立向心透平葉型優化的多目標優化模型；利用Matlab編寫葉型優化的優化計算程序，利用NSGA-II算法對設計變量進行優化。

(10)對優化所得的Pareto最優解前沿進行決策，得到向心透平的最優葉型參數及其對應的透平性能。

2.根據權利要求1所述的一種有機朗肯循環向心透平的分層協同優化設計方法，其特征在于：該透平設計方法采用分層優化的結構，即首先開展透平氣動參數的多目標優化，實現透平性能與ORC系統性能融合提升；在確定透平最優氣動參數的基礎上，對透平葉型參數開展多目標優化，進一步改進透平的葉型結構，最大限度提升透平的氣動性能。

3.根據權利要求1所述的一種有機朗肯循環向心透平的分層協同優化設計方法，其特征在于：所述步驟(2)中的設計變量(透平入口壓力、過熱度、壓比、轉速、速比、反動度)共同影響透平性能與循環熱力性能，所述步驟(3)中的設計變量(循環蒸發器夾點溫度、冷凝器夾點溫度)影響循環的經濟性能，通過合理匹配這些設計變量，提升透平的熱經濟性能。