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燃气轮机堪称“工业之花”，不断提高其功率、效率、可靠性等性能是燃气轮机领域永恒的课题。着眼目前及未来国内船舶对大功率燃气轮机的客观需求，在大力发展高性能核心机的同时，立足现有的简单循环燃气轮机研制间冷循环燃气轮机，是发展国产大功率船舶动力的重要手段和有效途径。引入液体耦合式间冷器后，间冷燃气轮机具有比简单循环燃气轮机更强的耦合性和非线性，其变工况建模、性能分析与运行优化也更为复杂。本文以船用三轴间冷燃气轮机为例，借助计算机仿真，开展了船用间冷燃气轮机变工况特性分析与运行优化方法的研究。
部件特性是间冷燃气轮机变工况计算的基础。克里金方法在部件特性曲线重构上体现出最优、线性、无偏内插等方面独有的空间估计优势，但在模型选择和克里金方程组求解上存在的难度制约了克里金方法的应用。本文提出了在地理信息系统软件平台上基于克里金模型优选的燃机部件特性重构方法，有效克服了克里金模型选择时的主观性，同时避免了克里金方程组的编程求解难度。仿真结果表明重构的部件特性精度高，曲线平滑且具有良好的空间连续性，可为间冷燃机变工况计算提供良好的数据支撑。
间冷器的运行优化是间冷燃机系统运行优化的基础，但在以往的研究中被忽略了。本文通过定义等效间冷度参数弱化了系统耦合，构建了基于等效间冷度的液体耦合式间冷器变工况模型。仿真结果表明间冷器空气侧的温降和压降与等效间冷度呈线性负相关，运行能耗与等效间冷度呈非线性正相关。在此基础上建立了间冷器运行的多目标优化模型，并设计了一种基于变步长搜索的分层序列法用于求解，仿真结果表明该算法可使间冷器运行优化问题快速收敛至分层意义下的全局唯一最优解。
构建了以等效间冷度、低压转子转速和动力涡轮转速为自由变量的三自由度变工况模型，用于计算间冷燃机的全部平衡工况，并将传统简单循环的二维性能空间扩展得到间冷循环的三维性能空间。发展了求解多阶段决策和非线性规划问题的图解法，用于在三维性能空间中优化间冷燃机的稳态运行。仿真表明应用图解法能够直观、方便地规划出船用三轴间冷燃机的最佳运行工作线，得到稳态的分段控制策略。同时验证了基于最简化改造概念的间冷燃气轮机的局限性。最佳工作线上的平衡点可为后续间冷燃气轮机的过渡态仿真提供有依据的初始状态和目标状态。
间冷器的引入增加了系统的容积惯性和热惯性，讨论它们对间冷燃机过渡态性能的影响是十分必要的。本文建立了液体耦合式间冷器的分段动态模型并进行了动态性能仿真。在此基础上建立了整机的非线性动力学模型，讨论了间冷器惯性对整机动态性能的影响。仿真结果表明海水流量单独变化时，间冷燃机的动态响应呈现明显的惯性延迟特点;乙二醇和海水的流量同时变化时，机上换热器的热惯性对间冷燃机的动态响应起主导作用;多变量的不同组合输入时，间冷燃机的响应存在明显差异。
当前研究间冷燃机的过渡态性能，多是采用对比不同给定输入下开环响应的方法。本文对间冷器和燃机的一体化闭环控制进行了初步探索。首先设计了一种改进的自适应遗传算法辨识出间冷燃机的状态空间模型，进而用饱和函数近似切换函数，应用带输入积分的多变量滑模控制方法，获得了间冷循环阶段的控制输入规律。仿真结果表明设计得到的闭环系统无抖振且实现了间冷循环阶段对指令的快速跟踪。
部件特性是间冷燃气轮机变工况计算的基础。克里金方法在部件特性曲线重构上体现出最优、线性、无偏内插等方面独有的空间估计优势，但在模型选择和克里金方程组求解上存在的难度制约了克里金方法的应用。本文提出了在地理信息系统软件平台上基于克里金模型优选的燃机部件特性重构方法，有效克服了克里金模型选择时的主观性，同时避免了克里金方程组的编程求解难度。仿真结果表明重构的部件特性精度高，曲线平滑且具有良好的空间连续性，可为间冷燃机变工况计算提供良好的数据支撑。
间冷器的运行优化是间冷燃机系统运行优化的基础，但在以往的研究中被忽略了。本文通过定义等效间冷度参数弱化了系统耦合，构建了基于等效间冷度的液体耦合式间冷器变工况模型。仿真结果表明间冷器空气侧的温降和压降与等效间冷度呈线性负相关，运行能耗与等效间冷度呈非线性正相关。在此基础上建立了间冷器运行的多目标优化模型，并设计了一种基于变步长搜索的分层序列法用于求解，仿真结果表明该算法可使间冷器运行优化问题快速收敛至分层意义下的全局唯一最优解。
构建了以等效间冷度、低压转子转速和动力涡轮转速为自由变量的三自由度变工况模型，用于计算间冷燃机的全部平衡工况，并将传统简单循环的二维性能空间扩展得到间冷循环的三维性能空间。发展了求解多阶段决策和非线性规划问题的图解法，用于在三维性能空间中优化间冷燃机的稳态运行。仿真表明应用图解法能够直观、方便地规划出船用三轴间冷燃机的最佳运行工作线，得到稳态的分段控制策略。同时验证了基于最简化改造概念的间冷燃气轮机的局限性。最佳工作线上的平衡点可为后续间冷燃气轮机的过渡态仿真提供有依据的初始状态和目标状态。
间冷器的引入增加了系统的容积惯性和热惯性，讨论它们对间冷燃机过渡态性能的影响是十分必要的。本文建立了液体耦合式间冷器的分段动态模型并进行了动态性能仿真。在此基础上建立了整机的非线性动力学模型，讨论了间冷器惯性对整机动态性能的影响。仿真结果表明海水流量单独变化时，间冷燃机的动态响应呈现明显的惯性延迟特点;乙二醇和海水的流量同时变化时，机上换热器的热惯性对间冷燃机的动态响应起主导作用;多变量的不同组合输入时，间冷燃机的响应存在明显差异。
当前研究间冷燃机的过渡态性能，多是采用对比不同给定输入下开环响应的方法。本文对间冷器和燃机的一体化闭环控制进行了初步探索。首先设计了一种改进的自适应遗传算法辨识出间冷燃机的状态空间模型，进而用饱和函数近似切换函数，应用带输入积分的多变量滑模控制方法，获得了间冷循环阶段的控制输入规律。仿真结果表明设计得到的闭环系统无抖振且实现了间冷循环阶段对指令的快速跟踪。