专利名称：涡轮机级家族调整/校准系统和方法
涡轮机级家族调整/校准系统和方法技术领域
本文公开的主题的实施例大体涉及方法和系统，并且更具体而言，涉及用于调整/ 校准润轮机级家族(turbo-machinery stage family)的机构和技术。
背景技术：
一种涡轮机是离心压缩机。通常在意于覆盖特定的流量范围和用途的家族中设计离心压缩机。离心压缩机能具有一个或若干个级。家族内的各个单独的设计可为不同的大小，并且可在叶轮(例如，成一排或多排的分流器或非分流器)中具有数量不同的叶片、静止部件(例如，具有带有分流器的叶(一排或多排)或者栅叶或楔型叶的回行通道)、扩散器(例如，具有硬度低的翼型，或者带有一排或多排叶或者没有叶的栅型或楔型)，以及出口系统 (涡形管、收集器、回流器)等。家族中的单独设计从低的设计流量系数伸展到高的设计流量系数，并且有时从低的设计马赫数伸展到高的设计马赫数。用一个设计流量系数和速度限定各个家族成员，但也用可使用的流量范围和速度范围来限定各个家族成员，如图I中显示的那样。图I中显示的家族包括四个设计，各个设计都有其设计速度线2、4、6和8以及若干额外的速度线。对于这个特定示例，总共有十二个待用于相对于多变效率和压头来校准/调·整I-D模型的速度线。要注意的是，使图I中的所有值标准化成处于中-高设计流率的对应的值。选择选定量的设计(称为测试主机且显示为图2中的要素10)来进行测试， 并且然后对它们进行调整/校准，以测试数据。经调整/校准的测试主机10保存为数据库主机，数据库主机又用来容纳设计数据库，在图2中示意性地示出了设计数据库。未测试其它设计点12。但是，这些点也存储在设计数据库中，而且这些点对应于已经设计好的压缩机。当顾客订购具有由图2中的点14 (其在设计数据库中不存在)指示的设计的新压缩机时，测试主机和设计好的点可用来对期望压缩机建模，例如，确定设计参数。
在最近几年里，已经对涡轮机构件的航空动力学和机械设计使用了优化策略。 具体而言，对于新一代涡轮机构件的航空动力学设计，数字优化技术看来是最有前途的工具之一(Bonaiuti 等人的 “Analysis and Optimization of Transonic Centrifugal Compressor Impellers Using the Design of Experiments Technique (使用实验技术的设计来分析和优化超音速离心压缩机叶轮)”，of Turbomachinery, 128 (4), 786-797页，2006，该文章的内容通过引用而整体地结合在本文中)。
离心压缩机级的航空设计周期始于I-D性能预测和计算过程，后面是详细设计、 分析和测试，以验证预测。设计过程的一部分是I-D性能参数预测和计算。在I-D性能预测工具的帮助下执行这个任务，I-D性能预测工具计算例如压缩机的多变压头、多变效率、 工作系数等。需要借助于所谓的调整/校准系数来调节I-D工具中的流模型，以便尽可能紧密地拟合测试数据。I-D工具的高精确性和预测能力是合乎需要的，而且执行连续的改进，以得到与实验偏差最小的更好的预测工具。在开发相关性时有效地利用机组反馈和报告，以获得更好的预测能力。
目前，I-D工具的调整过程是人工过程。这个过程利用来自对不同的级进行的测试4CN 102947830 A书明说2/9页的数据，以及有限的少数调整参数。
例如，通常在意于覆盖特定的流量范围和用途的家族中设计离心压缩机。图3示出了具有不同的几何特性(如多边形所表示的那样)的家族20、22、24、26和28。图3的曲线图基于设计外围马赫数相对(versus )流量系数来对各种压缩机分类。马赫数表示介质(其由压缩机压缩)相对于声音速度的速度，并且流量系数指示流过压缩机的介质的量。家族中的单独的设计覆盖一定范围的流量系数，并且通常覆盖多个速度线(即，不同的马赫数)。各个家族成员可由设计流量系数和速度(所谓的设计点)来表征，但其校准/调整参数可用于家族流量范围和速度范围(一定范围的若干工作点)中的。可使用数据库来存储每个根据流量系数和马赫数来索引的家族的代表点。
另外，被证明对于一个特定的级有效的调整/校准参数可能不适合于另一个级。 需要优化的性能指标越多，用户达到接受的但不一定最佳的关于基准线的改进水平所需要的迭代数就越高，其中，基准线可由缺省调整/校准参数值表示。调整/校准参数的量会影响优化过程，因为调整/校准参数的量的少量增长就会导致所需迭代数迅速增长。
已经开发出处理离心压缩机的几何设计特征的优化程序(参见例如Omar等人的 “An Aerodynamic Optimization Procedure for Preliminary Design of Centrifugal compressor stages (用于离心压缩机级的初步设计的航空动力学优化程·序)”， GT2008-51154, ASME Turbo Expo 2010，该文章通过引用而整体地结合在本文中)。这个优化程序意于用于离心压缩机级的初步设计。这个优化算法的有效性可受到限制，因为需要用测试数据来校准I-D性能预测工具中的流模型，以便能够估计通过压缩机级的预期流行为。考虑到其它工具对I-D工具的预测能力的依赖性，开发一种就实验结果而言匹配I-D 工具的自动化的优化算法可为合乎需要的。发明内容
根据一个示例性实施例，存在一种用于自动地确定用于设计新涡轮机的最终一组调整/校准参数的方法。该方法包括输入初始一组调整/校准参数；基于初始一组调整 /校准参数来计算家族涡轮机量；比较所计算的家族涡轮机量与测量的量，并且计算所计算的家族量和测量的量之间的第一误差；计算初始一组调整/校准参数和涡轮机变量的缺省值之间的第二误差；形成包括第一误差和第二误差两者的修改目标函数；在迭代过程期间，改变初始一组调整/校准参数，使得找到最终一组调整/校准参数，并且最终一组调整 /校准参数实现(I)家族涡轮机量和测量的量之间的最佳拟合，以及(2)最终一组调整/ 校准参数从家族的一个成员平滑地过渡(transition)到另一个成员；以及将家族的最终一组调整/校准参数存储在数据库中。
根据另一个示例性实施例，存在一种用于确定新涡轮机的最终一组设计参数的设计设备。该设计设备包括配置成输入初始一组调整/校准参数的接口 ；以及连接到该接口上的处理器。处理器配置成基于初始一组调整/校准参数来计算家族涡轮机量；比较所计算的家族涡轮机量与测量的量，并且计算所计算的家族量和测量的量之间的第一误差；计算初始一组调整/校准参数和涡轮机变量的缺省值之间的第二误差；形成包括第一误差和第二误差两者的修改目标函数；在迭代过程期间，改变初始一组调整/校准参数，使得找到最终一组调整/校准参数，并且最终一组调整/校准参数实现(I)家族涡轮机量和测量的5量之间的最佳拟合，以及(2)最终一组调整/校准参数从家族的一个成员平滑地过渡到另一个成员；以及将家族的最终一组调整/校准参数存储在数据库中。
根据又一个示例性实施例，存在一种包括计算机可执行的指令的计算机可读介质，当执行指令时，指令实现上面论述的方法。
结合在说明书中且构成说明书的一部分的附图示出了一个或多个实施例，并且与描述共同阐明这些实施例。在图中图I是待用于设计另一个涡轮机的家族的示例；图2是按照马赫数和流量系数分类的涡轮机的家族的示意图；图3是按照马赫数和流量系数分类的涡轮机的多个家族的示意图；图4是示出了压缩机家族的多变效率相对流量的曲线图；图5是示出了压缩机家族的多变压头相对流量的曲线图；图6是示出了根据示例性实施例的、用于计算新涡轮机的设计参数的算法的流程图； 图7是示出了根据示例性实施例的、压 缩机的家族的测量点相对于同一家族的估计曲线的曲线图；图8是示出了根据示例性实施例的、压缩机家族的设计点状况和非设计的状况的曲线图；图9是示出了根据示例性实施例的、针对压缩机家族人工地(且一次对于一个家族部件)和自动地调整的设计参数的曲线图；图10是示出了根据示例性实施例的、压缩机家族部件的经自动调整的多变效率和压头相对经人工调整/校准的多变效率和压头的曲线图；图11是示出了根据示例性实施例的、压缩机家族的经平滑调整的设计参数的曲线图； 图12是根据示例性实施例的设计设备的示意图；图13是示出了根据示例性实施例的、用于计算设计参数的方法的流程图；以及图14是离心压缩机的示意图。
具体实施方式
示例性实施例的以下描述对附图进行参照。不同的图中的相同参考标号标识相同或相似的元件。以下详细描述不限制本发明。本发明的范围而是由所附权利要求限定的。 为了简单，关于离心压缩机的术语和结构来论述以下实施例。但是，接下来待论述的实施例不限于这些系统，而是可应用于其它系统，例如使用ID性能预测工具来进行初始性能预测的其它类型的压缩机或其它涡轮机，例如蒸汽涡轮、燃气涡轮等。
整个说明书中对“一个实施例”或“一实施例”的参照表示这样的意思，即，结合实施例所描述的特定的特征、结构或特性包括在公开的主题的至少一个实施例中。因而，在整个说明书的各处出现短语“在一个实施例中”或“在实施例中”未必是参照同一实施例。另外，特定的特征、结构或特性可按任何适当的方式结合在一个或多个实施例中。
接下来论述待用来描述示例性实施例的一些术语。虽然如下面定义的那样理解以下术语，但注意到的是，本领域技术人员可针对相同量使用相似术语。校准/调整参数/变量是用来调节ID流模型以使其尽可能紧密地拟合测试数据的系数。设计变量是限定压缩 机的几何设计的变量。工作参数/变量是确定压缩机的机能的参数(例如，气体量、质量流、 旋转速度、压力比、温度等)。设计点包括已经针对其来设计压缩机的一组流状况(例如，气 体量、质量流、旋转速度、压力比、温度等)。工作点包括将使用压缩机时所处的一组或若干 组流状况(例如，气体量、质量流、旋转速度、压力比、温度等)。工作点可与设计点相同或不 同。还定义了以下量。流量系数
权利要求
1.一种用于自动地确定用于设计新涡轮机的最终一组调整/校准参数的方法，所述方法包括输入初始一组调整/校准参数；基于所述初始一组调整/校准参数来计算家族涡轮机量；比较所计算的家族涡轮机量与测量的量，并且计算所计算的家族量和所测量的量之间的第一误差；计算所述初始一组调整/校准参数和所述涡轮机变量的缺省值之间的第二误差； 形成包括所述第一误差和所述第二误差两者的修改目标函数；在迭代过程期间，改变所述初始一组调整/校准参数，使得找到所述最终一组调整/校准参数，并且所述最终一组调整/校准参数实现(I)所述家族涡轮机量和所测量的量之间的最佳拟合，以及(2)所述最终一组调整/校准参数从所述家族的一个成员平滑地过渡到另一个成员；以及将所述家族的所述最终一组调整/校准参数存储在数据库中。
2.根据权利要求I所述的方法，其中，所述初始一组调整/校准参数包括或者用于来自与所述新涡轮机相似的家族的其它涡轮机的一组缺省参数值或调整/校准参数值，或者与所述缺省参数值有允许偏差的修改调整/校准参数值。
3.根据权利要求I或权利要求2所述的方法，其中，当所述调整/校准参数相对于流量系数的一阶导数对于所述整个家族连续时，调整/校准参数是平滑的。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，针对所述家族的现有涡轮机来测量所测量的量。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述第一误差是(i)各个所计算的家族涡轮机量和(ii)对应的测量的量之间的标准距离的总和的均方根(RMS)。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，当与所述第一误差相加时，对所述第二误差加权。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述最终一组调整/校准参数包括以下的一个或多个入口流上的两个系数、叶轮出口流角度的一个系数、临界马赫数、在流分离时的一个系数、一个效率系数和一个阻塞系数。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述新涡轮机是具有多个级、叶轮、扩散器和出口系统的尚心压缩机。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述涡轮机量包括多变效率、多变压头、工作系数、压力比、浪涌和节流限制中的一个或多个。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，所述方法进一步包括应用微分演化遗传算法，以最小化所述修改目标函数。
11.根据权利要求10所述的方法，所述方法进一步包括随机生成所述初始一组调整/校准参数。
12.根据权利要求10所述的方法，所述方法进一步包括应用基于单纯形法的优化方法，以最小化所述修改目标函数。
13.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，所述方法进一步包括使用所述家族的一组调整/校准参数来确定所述新涡轮机的所述最终一组调整/校准参数。
14.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，所述方法进一步包括确定关于设计点和非设计的状况的所述最终一组调整/校准参数。
15.一种用于确定新涡轮机的最终一组调整/校准参数的设计设备，所述设计设备包括配置成输入初始一组调整/校准参数的接口 ；以及处理器，其连接到所述接口上，并且配置成进行以下步骤基于所述初始一组调整/校准参数来计算家族涡轮机量；比较所计算的家族涡轮机量与测量的量，并且计算所计算的家族量和所测量的量之间的第一误差；计算所述初始一组调整/校准参数和所述涡轮机变量的缺省值之间的第二误差； 形成包括所述第一误差和所述第二误差两者的修改目标函数；在迭代过程期间，改变所述初始一组调整/校准参数，使得找到所述最终一组调整/校准参数，并且所述最终一组调整/校准参数实现(I)所述家族涡轮机量和所测量的量之间的最佳拟合，以及(2)所述最终一组调整/校准参数从所述家族的一个成员平滑地过渡到另一个成员；以及将所述家族的所述最终一组调整/校准参数存储在数据库中。
16.根据权利要求15所述的设计设备，其中，所述初始一组调整/校准参数包括或者来自与所述新涡轮机相似的家族的其它涡轮机的一组缺省参数值或调整/校准参数值，或者与所述缺省参数值有允许偏差的修改调整/校准参数值。
17.根据权利要求15或权利要求16所述的设计设备，其中，当所述调整/校准参数相对于流量系数的一阶导数对于所述整个家族连续时，调整/校准参数是平滑的。
18.根据权利要求15至17中的任一项所述的设计设备，其中，针对所述家族的现有涡轮机测量所测量的量。
19.根据权利要求15至18中的任一项所述的设计设备，其中，所述第一误差是(i)各个所计算的家族涡轮机量和(ii)对应的测量的量之间的标准距离的总和的均方根。
20.一种包括计算机可执行的指令的计算机可读介质，其中，当执行所述指令，所述指令实现用于自动地确定关于新涡轮机的最终一组调整/校准参数的方法，所述方法包括输入初始一组调整/校准参数；基于所述初始一组调整/校准参数来计算家族涡轮机量；比较所计算的家族涡轮机量与测量的量，并且计算所计算的家族量和所测量的量之间的第一误差；计算所述初始一组调整/校准参数和所述涡轮机变量的缺省值之间的第二误差； 形成包括所述第一误差和所述第二误差两者的修改目标函数；在迭代过程期间，改变所述初始一组调整/校准参数，使得找到所述最终一组调整/校准参数，并且所述最终一组调整/校准参数实现(I)所述家族涡轮机量和所测量的量之间的最佳拟合，以及(2)所述最终一组调整/校准参数从所述家族的一个成员平滑地过渡到另一个成员；以及将所述家族的所述最终一组调整/校准参数存储在数据库中。
全文摘要
一种用于自动地确定用于设计新涡轮机的最终一组调整/校准参数的系统和方法。该方法包括输入初始一组调整/校准参数；基于初始一组调整/校准参数来计算家族涡轮机量；比较所计算的家族涡轮机量与测量的量，并且计算所计算的家族量和测量的量之间的第一误差；计算初始一组调整/校准参数和涡轮机变量的缺省值之间的第二误差；形成包括第一误差和第二误差两者的修改目标函数；在迭代过程期间，改变初始一组调整/校准参数，使得找到最终一组调整/校准参数；以及将关于家族的最终一组调整/校准参数存储在数据库中。
文档编号G06F17/50GK102947830SQ201080067635
公开日2013年2月27日 申请日期2010年6月22日 优先权日2010年6月22日
发明者O.M.埃尔夏米, N.A.吉扎维, D.G.J.格纳德, V.米开拉西, S.桑卡兰, C.S.I.斯文斯多特 申请人:诺沃皮尼奥内有限公司