涡轮发电系统电子样机构建方法

本发明属于电机领域，具体涉及一种涡轮发电系统电子样机构建方法。

背景技术：

1、在航天器系统中，为了有效利用排放的废气通常会采用涡轮发电系统，通过该发电系统能够有效的缓解航天器电源模块的压力。该系统由航天器的废气吹动涡轮，进一步使电机转子转动，电机绕组产生电压，经不控整流桥整流后产生直流电压供航天器的用电器使用。然而航天器在运行过程中其排放的废气会随运行状态不同而有所差别，为了更好的了解不同状态下涡轮发电系统的性能，需要对其进行评估。目前主要采用的评估方法是将涡轮和发电机两部分分别进行仿真分析，这种分析方法存在前后级功率不能很好耦合的问题，是涡轮发电系统性能评估的主要限制之一。

技术实现思路

1、本发明的目的是为解决现有涡轮发电系统性能评估计算方法前后级功率不能很好耦合的问题，提出了一种涡轮发电系统电子样机构建方法。

2、本发明的方法采用有限元计算分别计算涡轮和电机不同工况的数据，然后通过迭代插值计算得到给定工况下涡轮发电系统的性能情况。

3、本发明实现上述目的，采取的技术方案如下：

4、一种涡轮发电系统电子样机构建方法，所述方法包括以下步骤：

5、步骤一：制作涡轮输出功率和涡轮损耗数据表，以及发电机在不同转速和直流侧电流下的损耗和直流侧电压数据表；

6、步骤二：给定需要计算的涡轮发电系统工况，包含涡轮侧的进口和出口压力，发电机直流侧负载电阻；

7、步骤三：取发电机数据表中转速的中间值作为预给定转速a；

8、步骤四：取发电机数据表中直流侧电流中值作为预给定直流侧电流b；

9、步骤五：以预给定转速a和预给定直流侧电流b作为基值，通过样条插值方法得到发电机直流侧电压数据表中对应的直流侧电压c，再通过i＝u/r，计算得到发电机直流侧电流d；r为发电机直流侧负载电阻；

10、步骤六：将上述计算得到的发电机直流侧电流d与预给定直流侧电流b做差并取绝对值，并判断差值是否小于δ1，其中δ1为收敛误差，为一个趋近于零的正数；如果该差值大于收敛误差δ1，则更新预给定直流侧电流b，并重新执行步骤五和步骤六；如果该差值小于收敛误差δ1，则继续执行步骤七；

11、步骤七：以预给定转速a和预给定直流侧电流b作为基值，通过样条插值方法得到发电机损耗数据表中对应的电机损耗；以预给定转速a、涡轮侧的进口压力和出口压力作为基值，通过样条插值方法得到涡轮损耗数据表中对应的涡轮损耗；将电机损耗和涡轮损耗求和得到涡轮发电系统总损耗e；通过p＝ui，计算得到直流负载侧的总功率，即发电机的总输出功率f；以预给定转速a、涡轮侧的进口压力和出口压力作为基值，通过样条插值方法得到涡轮输出功率数据表中对应的涡轮输出功率g；

12、步骤八：将上述计算得到的涡轮输出功率g减去涡轮发电系统总损耗e和发电机的总输出功率f，并判断差值的绝对值是否小于δ2，其中δ2为收敛误差，为一个趋近于零的正数；如果该差值大于收敛误差δ2，则更新预给定转速a，并重新执行步骤四至步骤八；如果该差值小于收敛误差δ2，则继续执行骤九；

13、步骤九：输出最终结果，包含发电机转速a、直流侧电压c，直流侧电流d，涡轮发电系统总损耗e、涡轮输出功率g、发电机输出功率f。

14、进一步的是，步骤一具体为：通过有限元方法计算涡轮在不同进口压力、出口压力和涡轮转速作用下的总输出功率和涡轮损耗，将计算得到的结果制作成涡轮输出功率和涡轮损耗分别关于涡轮在不同进口压力、出口压力和涡轮转速下的数据表，通过所述数据表进行样条曲线插值得到该数据表范围内的任意进口压力、出口压力和涡轮转速下对应的涡轮输出功率和涡轮损耗值；

15、通过有限元方法计算发电机在不同转速和负载电阻作用下的电机损耗和直流侧电压，将计算得到的结果制作成电机损耗和直流侧电压分别关于发电机在不同转速和直流侧电流下的损耗和直流侧电压数据表，通过所述数据表进行样条曲线插值得到该数据表范围内的任意转速和直流侧电流下对应的电机损耗和直流侧电压。

16、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

17、1.涡轮和发电机仅需要少量的有限元数据即可构成涡轮发电系统性能计算所需的数据库，而且两部分的仿真是独立进行的，能够减小设计阶段通过本方法评估某一部件优化情况的时间。

18、2.本方法在提前计算好的数据样本的基础上，通过插值和迭代处理(步骤六和步骤八收敛误差所构成的循环体现了迭代处理)能够快速的得到不同工况下的性能情况；比单纯通过有限元方法更加节省时间。

19、3.本方法通过发电机自身功率迭代求解，然后再迭代求解涡轮功率，形成整体的功率守恒(具体的实现过程是步骤一至步骤九)；与传统的分别分析涡轮和发电机性能指标相比，更加具有物理联系，能够更好的满足功率耦合的物理条件。本方法根据给定的涡轮侧进口和出口压力以及发电机直流侧负载电阻来计算涡轮发电系统的整体性能。首先，预给定转速，在此转速下迭代计算得到，满足收敛误差的直流侧电流。

20、在此基础上计算对应的电机和涡轮的总损耗和输出功率，以系统功率误差作为收敛误差条件，若不满足收敛误差，则更改预给定转速重新计算电机迭代，直至满足系统功率误差收敛，形成整体的功率守恒。

技术特征：

1.一种涡轮发电系统电子样机构建方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的涡轮发电系统电子样机构建方法，其特征在于：步骤一具体为：通过有限元方法计算涡轮在不同进口压力、出口压力和涡轮转速作用下的总输出功率和涡轮损耗，将计算得到的结果制作成涡轮输出功率和涡轮损耗分别关于涡轮在不同进口压力、出口压力和涡轮转速下的数据表，通过所述数据表进行样条曲线插值得到该数据表范围内的任意进口压力、出口压力和涡轮转速下对应的涡轮输出功率和涡轮损耗值；

技术总结
涡轮发电系统电子样机构建方法，属于电机领域。步骤一：制作涡轮输出功率和涡轮损耗数据表，及发电机在不同转速和直流侧电流下的损耗和直流侧电压数据表；步骤二：给定涡轮发电系统工况；步骤三：取速度中值作为预给定转速a；步骤四：取直流侧电流中值作为预给定直流侧电流b；步骤五：以a和b作为基值，插值得到直流侧电压c，计算得到发电机直流侧电流d；步骤六：计算d‑b并取绝对值，判断差值是否小于δ1；步骤七：将电机损耗和涡轮损耗求和得到涡轮发电系统总损耗e，计算得到发电机的总输出功率f，通过插值得到涡轮输出功率g；步骤八：计算g‑e‑f并取绝对值，判断差值是否小于δ2；步骤九：输出最终结果。本发明用于涡轮发电系统电子样机构建。

技术研发人员：禹国栋,牟濠仪,李绍斌,肖利军,张文韬,徐永向,邹继斌
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/10/21