超临界CO2布雷顿循环动力系统轻量化设计方法及装置

本技术涉及航空航天飞行器热防护与热利用，特别涉及一种超临界co2布雷顿循环动力系统轻量化设计方法及装置。

背景技术：

1、相关技术中，可以通过超临界co2吸热升温通过布雷顿循环进行发电，将热能转变为电能，同时，燃油作为冷源可以吸收发电后相对较少的余热，可以实现发动机壁面冷却，且提供电能，并且，对于地面热发电系统而言，已建成mw级超临界co2布雷顿循环发电系统。

2、然而，相关技术中以超临界co2为工质的布雷顿循环系统体积和重量较为庞大，增加了占用空间的同时，增加了设计成本，降低了系统的适用性，无法满足超临界co2布雷顿循环动力系统的使用需求，亟待解决。

技术实现思路

1、本技术是基于发明人对以下问题和认识作出的：

2、高超声速飞行器是指在大气层中以5倍声速或更高速度飞行的飞行器，它被喻为“21世纪速度核武器”，在民用、军事等领域有极大的应用前景，动力系统是高超声速飞行器的核心，由于单一类型的发动机无法满足高超声速飞行器全速域要求，组合发动机技术应运而生，目前的组合动力方案主要有涡轮-冲压组合动力tbcc(turbine based combinecycle，涡轮基组合循环)、火箭-冲压组合动力rbcc(rocket based combine cycle，火箭基组合循环)、涡轮-火箭组合动力atr(air-turbo-rocket，空气涡轮火箭发动机)和三组合发动机t/rbcc等，从性能、安全性和技术可行性角度考虑，tbcc被认为是最有前景的组合动力技术，近年来受到了广泛关注。

3、tbcc是由涡轮发动机和亚燃/超燃冲压发动机组合在一起的动力装置，在低ma数下由涡轮发动机提供动力，在高ma数下由冲压发动机提供动力，一般在飞行马赫数提升到3至4时，动力由涡轮基向冲压基进行转换，转换过程中可能出现涡扇发动机进气温度过高导致推力快速下降的问题，称为“推力缺口”，在冲压发动机工作阶段，高速飞行使得进气总焓很高，发动机面临严重的“冷却缺口”，此外，在高速状态下，飞行器各个子系统需要大量电力维持飞行器长航时正常运转。虽然目前已经有多种成熟的针对低速飞行器的发电技术，然而，这些技术并不适用于高超声速飞行器，对于tbcc而言，发动机仅能在“推力缺口”之前提供一定的轴功，进入冲压阶段后，发动机将完全不能提供轴功，因此，特别是对于长航时飞行而言，飞行器将面临显著的“电力缺口”。

4、因此，采用超临界co2布雷顿循环系统有望同时解决上述“推力缺口”、“冷却缺口”和“电力缺口”。该循环系统的热源主要有两个，一个是以涡扇发动机的来流进气为热源，超临界co2预冷涡扇发动机来流进气；另一个是以冲压发动机壁面为热源，超临界co2流经冲压发动机冷却通道实现冲压发动机的冷却，超临界co2吸热升温通过布雷顿循环进行发电，将“热能”转变为“电能”，同时，燃油作为冷源只需要吸收发电后“相对较少”的余热，综上，以超临界co2为工质的布雷顿循环系统不仅降低了飞行器冷却热负荷，降低冷却燃油需求量，实现了发动机壁面的高效冷却，还能够提供电能。

5、目前，对于地面热发电系统而言，已建成mw级超临界co2布雷顿循环发电系统，但庞大的系统体积和重量并没有充分展现出超临界co2发电系统在系统紧凑和轻量化方面的优势，实现超临界co2布雷顿循环系统在高超声速飞行器上的应用还需要充分挖掘系统关键部件的潜力。

6、本技术提供一种超临界co2布雷顿循环动力系统轻量化设计方法及装置，以解决相关技术中以超临界co2为工质的布雷顿循环系统体积和重量较为庞大，增加了占用空间的同时，增加了设计成本，降低了系统的适用性，无法满足超临界co2布雷顿循环动力系统的使用需求的问题。

7、本技术第一方面实施例提供一种超临界co2布雷顿循环动力系统轻量化设计方法，包括以下步骤：以超临界co2布雷顿循环系统输出功/热效率为目标对循环进行单目标优化，确定循环布局的评估与决策；对所述超临界co2布雷顿循环系统进行净功和总重量的多目标优化，基于熵权-topsis决策法确定部件负荷；基于所述部件负荷设计换热器的整体构架，计算所述换热器的内部流动换热，以获取所述换热器的热重比；根据所述换热器的热重比进行校核与评估，直至达到预设轻量化设计条件，得到最终轻量化设计结果。

8、可选地，在本技术的一个实施例中，所述以超临界co2布雷顿循环系统输出功/热效率为目标对循环进行单目标优化，确定循环布局的评估与决策，包括：根据目标飞行剖面计算飞行器所处最大负荷工况点及最恶劣热环境工况点；基于所述最大负荷工况点或最恶劣热环境工况点确定热源参数，估算循环布局的总重量和发电能力；根据所述热源参数确定循环系统的工作参数，利用单目标优化算法计算各循环布局的最大功重比和对应的燃油侧参数，并计算燃油的热沉利用率，以利用所述最大功重比和所述热沉利用率对所述循环布局选择进行决策。

9、可选地，在本技术的一个实施例中，所述对所述超临界co2布雷顿循环系统进行净功和总重量的多目标优化，基于熵权-topsis决策法确定部件负荷，包括：对循环系统总重量和循环系统净输出功进行预设多目标优化，并生成优化结果，根据所述优化结果获取帕累托前沿线；基于所述帕累托前沿线，正向化处理所述优化目标，并计算不同优化目标的熵权，以进行topsis决策，得到所述部件负荷。

10、可选地，在本技术的一个实施例中，所述基于所述部件负荷设计换热器的整体构架，计算所述换热器的内部流动换热，以获取所述换热器的热重比，包括：确定所述换热器设计的目标约束条件；根据所述目标约束条件确定换热器传热单元结构，并进行微元离散，利用所述换热器传热单元进行热力计算，以获取所述换热器的传热面积；利用所述传热面积进行换热器结构轻量化设计，并计算所述换热器的整机结构的流动阻力和所述换热器的整机结构强度，以根据所述流动阻力和所述结构强度得到所述换热器的压降和所述换热器的热重比。

11、可选地，在本技术的一个实施例中，所述根据所述换热器的热重比进行校核与评估，直至达到预设轻量化设计条件，得到最终轻量化设计结果，包括：将所述优化目标设定为功重比，设置所述优化目标为所述超临界co2布雷顿循环系统的最大功重比；将修正后的结果与所述轻量化设计结果进行比对，得到所述换热器的平均温差的差值，并在所述换热器的平均温差的差值大于预设差值时，重新对所述超临界co2布雷顿循环系统负荷优化且对所述换热器进行轻量化设计并校核，直至所述差值小于所述预设差值，停止循环迭代。

12、本技术第二方面实施例提供一种超临界co2布雷顿循环动力系统轻量化设计装置，包括：确定模块，用于以超临界co2布雷顿循环系统输出功/热效率为目标对循环进行单目标优化，确定循环布局的评估与决策；获取模块，用于对所述超临界co2布雷顿循环系统进行净功和总重量的多目标优化，基于熵权-topsis决策法确定部件负荷；计算模块，用于基于所述部件负荷设计换热器的整体构架，计算所述换热器的内部流动换热，以获取所述换热器的热重比；处理模块，用于根据所述换热器的热重比进行校核与评估，直至达到预设轻量化设计条件，得到最终轻量化设计结果。

13、可选地，在本技术的一个实施例中，所述确定模块包括：第一计算单元，用于根据目标飞行剖面计算飞行器所处最大负荷工况点及最恶劣热环境工况点；第一确定单元，用于基于所述最大负荷工况点或最恶劣热环境工况点确定热源参数，估算循环布局的总重量和发电能力；第一获取单元，用于根据所述热源参数确定循环系统的工作参数，利用单目标优化算法计算各循环布局的最大功重比和对应的燃油侧参数，并计算燃油的热沉利用率，以利用所述最大功重比和所述热沉利用率对所述循环布局选择进行决策。

14、可选地，在本技术的一个实施例中，所述获取模块包括：第二获取单元，用于对循环系统总重量和循环系统净输出功进行预设多目标优化，并生成优化结果，根据所述优化结果获取帕累托前沿线；第二计算单元，用于基于所述帕累托前沿线，正向化处理所述优化目标，并计算不同优化目标的熵权，以进行topsis决策，得到所述部件负荷。

15、可选地，在本技术的一个实施例中，所述计算模块包括：第二确定单元，用于确定所述换热器设计的目标约束条件；第三计算单元，用于根据所述目标约束条件确定换热器传热单元结构，并进行微元离散，利用所述换热器传热单元进行热力计算，以获取所述换热器的传热面积；处理单元，用于利用所述传热面积进行换热器结构轻量化设计，并计算所述换热器的整机结构的流动阻力和所述换热器的整机结构强度，以根据所述流动阻力和所述结构强度得到所述换热器的压降和所述换热器的热重比。

16、可选地，在本技术的一个实施例中，所述处理模块包括：设置单元，用于将所述优化目标设定为功重比，设置所述优化目标为所述超临界co2布雷顿循环系统的最大功重比；控制单元，用于将修正后的结果与轻量化设计结果进行比对，得到换热器的平均温差的差值，并在换热器的平均温差的差值大于预设差值时，重新对超临界co2布雷顿循环系统负荷优化且对换热器进行轻量化设计并校核，直至差值小于预设差值，停止循环迭代。

17、本技术第三方面实施例提供一种电子设备，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序，以实现如上述实施例所述的超临界co2布雷顿循环动力系统轻量化设计方法。

18、本技术第四方面实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上的超临界co2布雷顿循环动力系统轻量化设计方法。

19、本技术实施例可以对循环进行单目标优化，确定循环布局，对超临界co2布雷顿循环系统进行净功和总重量的多目标优化，基于熵权-topsis决策法确定部件负荷，从而设计换热器的整体构架，并计算换热器的内部流动换热，以获取换热器的热重比，根据热重比进行校核与评估，直至满足轻量化设计条件，获得最终的轻量化设计结果，有效的降低了系统体积和重量，提升了系统的适用性，满足系统的使用需求。由此，解决了相关技术中以超临界co2为工质的布雷顿循环系统体积和重量较为庞大，增加了占用空间的同时，增加了设计成本，降低了系统的适用性，无法满足超临界co2布雷顿循环动力系统的使用需求的问题。

20、本技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本技术的实践了解到。