[发明专利]一种自适应的超临界二氧化碳透平设计方法

说明书

本发明公开了一种自适应的超临界二氧化碳透平设计方法，包括：确定设计变量，采样获取初始设计方案；热力设计；气动分析；设置初始退火温度T和设计方案；Gauss过程回归模型学习；生成新的设计方案，并按照步骤2进行热力设计；Gauss过程回归模型预测；检验准则1；按照步骤3气动分析获得等熵效率；检验准则2，得出最优设计方案。本发明提供的基于机器学习中的Gauss过程回归方法，并结合模拟退火方法建立的一种快速的自适应设计‑优化方法，可以解决传统的超临界二氧化碳透平设计及优化方法精准度差、设计周期长的难题，具有稳定且快速的寻优效果，同时对不同的工程问题具有广泛的适用性。

技术领域

本发明属于特种装备设计技术领域，特别涉及一种自适应的超临界二氧化碳透平设计方法。

背景技术

超临界二氧化碳布雷顿循环动力装置具有两大优势：1)系统能量转换效率高：在500℃循环效率超过45％，高于蒸汽、氦气循环；2)系统布置成本低：①工质密度大，系统结构紧凑；②系统无相变过程，无需使用凝汽器，循环结构简洁；③运行温度低，可使用常规不锈钢材料，制造成本低。可广泛应用于燃气轮机余热利用、空间动力系统、船舶动力等，提高系统的能源利用效率。其中，透平的效率和可靠性是确保超临界二氧化碳发电技术优势发挥的关键，优化透平的设计方法是减少系统设备体积、降低重量、提高系统循环效率的重要途径。

针对超临界二氧化碳透平的研究，美国桑迪亚实验室、日本东京工业大学以及韩国先进科学技术研究所虽然已经有投入试验的超临界二氧化碳透平设备，但是，在实际运行中通常远达不到设计转速，严重偏离设计工况，导致效率及输出功率均远低于设计参数。这些都是由于超临界二氧化碳透平设计的不完善导致的，一方面，超临界二氧化碳物性、换热规律复杂，特别是在近临界区和跨临界点时，热力参数呈非线性变化，其独特物性带来的流体流动和换热规律的特殊性，会使超临界二氧化碳透平的设计难度远大于常规工质的透平设计；另一方面，目前超临界二氧化碳透平设计中缺乏与超临界二氧化碳工质对应的经验参数和预估参数范围，这使得原本就设计困难的超临界二氧化碳透平设计难度进一步加大，设计周期大幅增加，且往往需要设计人员有大量的经验积累。

综上所述，传统的超临界二氧化碳透平设计及优化方法精准度差、设计周期长。因此，针对透平气动优化设计，建立一种快速的自适应的超临界二氧化碳透平设计-优化方法是实现超临界二氧化碳发电技术应用的关键。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自适应的超临界二氧化碳透平设计方法，以解决上述存在的技术问题。本发明提供的基于机器学习中的Gauss过程回归(GPR,Gauss ProcessRegression)方法，并结合模拟退火方法建立的一种快速的自适应设计-优化方法，可以解决传统的超临界二氧化碳透平设计及优化方法精准度差、设计周期长的难题，具有稳定且快速的寻优效果，同时对不同的工程问题具有广泛的适用性。

本发明采用如下技术方案来实现的：

一种自适应的超临界二氧化碳透平设计方法，包括以下步骤：

第1步，确定超临界二氧化碳透平的待设计变量包括：反动度ρ、特性比轮径比μ、喷嘴出口角α₁和叶轮出口角β₂；确定待设计变量的取值范围，然后对所有设计变量在经验设计空间中采用Latin Hyper Cubic方式进行采样，获得初始设计方案m个，即x_i，其中i＝1,…m；

第2步，对m个超临界二氧化碳透平初始设计方案x分别进行热力设计计算F_a(x)，最终获得热力设计的关键参数及等熵效率；

[D₀,l_N,D₁,D₂,η_a]＝f_a(x)

式中，D₀——叶轮直径；