受負(fù)荷、進(jìn)口壓力、溫度等因素變化的影響,向心渦輪并不總是在額定工況下運(yùn)行,此時可通過調(diào)節(jié)可調(diào)導(dǎo)葉開度來改變向心渦輪質(zhì)量流量、焓降等參數(shù),以改善變工況下的渦輪性能。在1.5MW級壓縮空氣儲能系統(tǒng)中,由于膨脹比大、體積流量小,因此采用多級向心渦輪結(jié)構(gòu)形式并在級間加入再熱裝置,結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。為進(jìn)一步提高壓縮空氣儲能系統(tǒng)中渦輪性能,中國科學(xué)院工程熱物理研究所儲能研發(fā)中心研究人員圍繞多級再熱向心渦輪中可調(diào)導(dǎo)葉展開了相關(guān)研究,并取得階段性進(jìn)展。
研究工作重點(diǎn)包括可調(diào)導(dǎo)葉對多級再熱向心渦輪總體特性影響和可調(diào)導(dǎo)葉內(nèi)部流動特性兩個方面。在總體特性影響研究中,將四級渦輪統(tǒng)一為一個坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)軸,并在每級進(jìn)口前設(shè)置再熱器,如圖2所示。通過多孔介質(zhì)損失模型來實(shí)現(xiàn)對再熱器的模擬。計算采用k-ε湍流模型,在內(nèi)部流動特性的研究中,為了更好地獲得邊界流動特性,采用SST湍流模型,進(jìn)出口邊界條件采用總體特性計算獲得的邊界條件。
研究結(jié)果表明,導(dǎo)葉開度增加時,第一級膨脹比減小,第四級膨脹比增加,第三級膨脹比先增加后保持不變,第二級膨脹比幾乎不變。質(zhì)量流量、總出功和導(dǎo)葉開度近似成正比關(guān)系。當(dāng)需要系統(tǒng)負(fù)荷運(yùn)行時,采用變進(jìn)口壓力的方式比采用變開度方式更容易保證系統(tǒng)氣動效率,但其比功較小??烧{(diào)導(dǎo)葉開度發(fā)生變化時,總壓損失主要發(fā)生在通道后20%的區(qū)域。導(dǎo)葉開度減小時,在導(dǎo)葉后20%區(qū)域內(nèi),通過葉頂間隙泄漏流更容易與葉高中間部分主流摻混導(dǎo)致二次流損失增加,尤其是在小開度時,這種不均勻性更加明顯,導(dǎo)致導(dǎo)葉后20%區(qū)域的熵增增大,如圖3所示。葉根和葉頂兩側(cè)出口氣流角不均勻性也隨著開度的減小而增大。
以上研究得到青年自然科學(xué)基金和國家國際科技合作專項(xiàng)等項(xiàng)目的支持,相關(guān)研究成果已發(fā)表于《中國電機(jī)工程學(xué)報》。
圖1 多級再熱向心渦輪結(jié)構(gòu)示意圖
圖2 多級再熱向心渦輪整體數(shù)值模擬示意圖
圖3 50%展向位置不同開度下的熵云圖
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