一种变负荷透平气膜布局的瞬态优化方法及系统与流程

本申请一般涉及燃气轮机透平叶片冷却与人工智能。更具体地，本申请涉及一种变负荷透平气膜布局的瞬态优化方法及系统。

背景技术：

1、在新能源高比例并网背景下，燃气轮机频繁运行于变负荷工况以承担调峰调频任务。负荷变化会导致透平内部主流燃气与冷气参数发生复杂的非定常演化，引发叶片表面温度波动，成为加剧叶片热应力的主要来源。目前工程上广泛采用气膜冷却技术来保护叶片，但气膜孔布局直接影响冷气与主流的掺混及瞬态温升特性。因此，在频繁变负荷工况下，仅关注稳态冷却性能难以全面保障叶片的服役安全性。

2、目前，气膜冷却优化技术主要分为以下两类：

3、其一，基于数值模拟的优化：主要通过构建流热耦合数值计算模型进行寻优（如全叶片分部参数化优化等）。此类方法虽能获取全场温度信息，但计算成本极高，无法满足变负荷瞬态优化中大量迭代调用的需求。

4、其二，基于ai特征降维与快速预测的优化：为降低计算成本，近年来发展了基于pod模态分解等ai降维预测方法。但现有方法多局限于单排、平板气膜孔冷却效率的局部预测，未拓展至真实叶片层级，无法反映全叶片多排孔之间的冷气干涉与耦合效应。

5、综上所述，现有技术存在以下明显不足：

6、第一，缺乏高效的叶片层级瞬态温度预测方法：现有技术难以在捕捉全叶片复杂流热耦合特征的同时降低计算维度，无法兼顾瞬态温度场预测的计算成本与精度。

7、第二，缺乏对变负荷瞬态热安全的考量：现有优化目标普遍局限于稳态工况，未能有效兼顾变负荷过程中的瞬态热安全需求。仅通过稳态优化获得的气膜布局，在动态变负荷过程中极易出现局部瞬态温升过高的安全隐患。

8、有鉴于此，亟须提供一种变负荷透平气膜布局的瞬态优化方案，以解决以上问题，实现全叶片瞬态温度场的高效重构，并在保障稳态冷却性能的前提下有效降低变负荷过程中的局部瞬态温升风险。

技术实现思路

1、为了至少解决如上所提到的一个或多个技术问题，本申请在多个方面中提出了变负荷透平气膜布局的瞬态优化方案。

2、在第一方面中，本申请提供了一种变负荷透平气膜布局的瞬态优化方法，包括：对透平叶片气膜布局进行参数化，采样生成多个布局几何方案，并基于瞬态流热耦合模拟提取各布局几何方案在变负荷工况下的瞬态温度数据，构建瞬态温度数据库；采用自编码器模型提取所述瞬态温度数据库中瞬态温度的低维潜向量，并构建预测网络建立气膜孔布局几何参数与变负荷工况参数至所述低维潜向量的映射；将所述预测网络与自编码器模型的解码器进行联合调整以获得联合预测模型，并据此提取透平叶片温度响应特性指标，所述透平叶片温度响应特性指标包括温升速率平均值、温升速率均匀性、额定状态温度平均值及额定状态温度均匀性；基于所述透平叶片温度响应特性指标构建多目标优化模型，并通过多目标优化模型进行寻优获得帕累托前沿解集；计算所述帕累托前沿解集中各方案的瞬态温升局部梯度，基于瞬态温升局部梯度确定最优的气膜冷却布局方案。

3、在第二方面中，本申请提供一种变负荷透平气膜布局的瞬态优化系统，采用如第一方面任一实施例所述的变负荷透平气膜布局的瞬态优化方法进行变负荷透平气膜布局的瞬态优化，所述系统包括：数据库构建模块，用于对透平叶片气膜布局进行参数化，采样生成多个布局几何方案，并基于瞬态流热耦合模拟提取各布局几何方案在变负荷工况下的瞬态温度数据，构建瞬态温度数据库；特征降维与映射模块，用于采用自编码器模型提取所述瞬态温度数据库中瞬态温度的低维潜向量，并构建预测网络建立气膜孔布局几何参数与变负荷工况参数至所述低维潜向量的映射；模型联合与指标提取模块，用于将所述预测网络与自编码器模型的解码器进行联合调整以获得联合预测模型，并据此提取透平叶片温度响应特性指标，所述透平叶片温度响应特性指标包括温升速率平均值、温升速率均匀性、额定状态温度平均值及额定状态温度均匀性；多目标优化模块，用于基于所述透平叶片温度响应特性指标构建多目标优化模型，并通过多目标优化模型进行寻优获得帕累托前沿解集；最优方案确定模块，用于计算所述帕累托前沿解集中各方案的瞬态温升局部梯度，基于瞬态温升局部梯度确定最优的气膜冷却布局方案。

4、通过如上所提供的变负荷透平气膜布局的瞬态优化方案，本申请实施例通过引入自编码器与预测网络构建联合预测模型，实现了复杂瞬态温度场的高效降维与快速预测，极大降低了优化过程中的计算成本。同时，综合考量稳态温度与瞬态温升指标进行多目标寻优，并在获取帕累托前沿后，进一步利用瞬态温升局部梯度进行严格筛选，有效剔除了存在局部热应力集中风险的方案。这不仅大幅提升了气膜冷却布局的设计效率，还能确保最终方案兼顾卓越的稳态冷却效果与瞬态变负荷性能，显著提高了透平叶片在复杂工况下的结构安全性与运行寿命。

5、进一步地，在一些实施例中，在参数化过程中固定了气膜孔的局部形貌参数，仅针对空间布局位置与间距进行调整，有效降低了设计空间的维度。同时，创新性地采用b样条函数建立径向间距与周向位置的数学关联，仅需少量控制变量即可生成平滑、连续且高度灵活的非均匀气膜孔布局。这种降维且高自由度的参数化策略，不仅有效避免了孔位重叠等不合理设计，还大幅提升了后续采样与优化寻优的效率和收敛性。

6、更进一步地，在一些实施例中，将温升速率平均值与额定状态温度平均值的最小化作为双重优化目标，确保了所设计的气膜布局既能提供优异的稳态冷却效果，又能有效抑制变负荷瞬态过程中的整体温度剧烈波动。同时，将温度与温升速率的均匀性作为严格的约束条件，有效避免了叶片表面出现局部过热或温差过大的现象。这种优化机制，全面兼顾了透平叶片的热防护效率与温度场分布的一致性，从根本上降低了局部热应力集中对叶片结构安全和使用寿命的威胁。

7、再进一步地，在一些实施例中，通过计算透平叶片表面二维坐标处的瞬态温升局部梯度，精确量化了变负荷过程中的局部热应力集中风险。在获取帕累托前沿后，以最大允许局部梯度为阈值对解集进行严格的二次筛选，有效剔除了极易引发热疲劳和结构裂纹的隐患方案，大幅提升了叶片的运行安全性。同时，允许根据实际工程偏好，在安全解集中灵活选取侧重稳态性能或侧重瞬态性能的最终方案，赋予了设计过程极强的灵活性与高度的工程实用价值。

1.一种变负荷透平气膜布局的瞬态优化方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的变负荷透平气膜布局的瞬态优化方法，其特征在于，在对透平叶片气膜布局进行参数化的过程中，执行以下步骤：

3.根据权利要求1所述的变负荷透平气膜布局的瞬态优化方法，其特征在于，所述变负荷工况通过以下步骤进行设定：

4.根据权利要求1所述的变负荷透平气膜布局的瞬态优化方法，其特征在于，在采用自编码器模型提取所述瞬态温度数据库中瞬态温度的低维潜向量的过程中，执行以下步骤：

5.根据权利要求1所述的变负荷透平气膜布局的瞬态优化方法，其特征在于，在构建预测网络建立气膜孔布局几何参数与变负荷工况参数至所述低维潜向量的映射的过程中，执行以下步骤：

6.根据权利要求1所述的变负荷透平气膜布局的瞬态优化方法，其特征在于，在将所述预测网络与自编码器模型的解码器进行联合调整以获得联合预测模型，并据此提取透平叶片温度响应特性指标的过程中，执行以下步骤：

7.根据权利要求1或6所述的变负荷透平气膜布局的瞬态优化方法，其特征在于，在基于所述透平叶片温度响应特性指标构建多目标优化模型的过程中，执行以下步骤：

8.根据权利要求1所述的变负荷透平气膜布局的瞬态优化方法，其特征在于，所述瞬态温升局部梯度的表达式为：

9.根据权利要求1或8所述的变负荷透平气膜布局的瞬态优化方法，其特征在于，在基于瞬态温升局部梯度确定最优的气膜冷却布局方案的过程中，执行以下步骤：

10.一种变负荷透平气膜布局的瞬态优化系统，其特征在于，采用如权利要求1-9任一项所述的变负荷透平气膜布局的瞬态优化方法进行变负荷透平气膜布局的瞬态优化，所述系统包括：