程建平向心涡轮 向心涡轮进气结构气动性能研究取得进展
压缩空气储能技术能够解决可再生能源发电大规模并网问题,对电网进行“削峰填谷”、减少电网总的装机容量、节约能源,具有巨大的发展潜力。因此研究压缩空气储能技术对于解决当前社会面临的能源、环境问题具有重要的意义。膨胀机作为压缩空气储能系统的核心部件之一,其性能对整个系统的性能起着决定性作用——随着膨胀机效率的提高,系统的效率近似成线性增加。
常见膨胀机有向心和轴流两种结构形式,其中向心涡轮因其具有单级压比高、小流量时效率高、顶部间隙损失小、结构紧凑、制造简单、成本低、强度和振动可靠性高等特点,成为MW级压缩空气储能系统中膨胀机的首选结构形式。
向心涡轮一般包括进气结构(集气室或蜗壳)、导叶、动叶和扩压室等部件。长期以来国内外学者对向心涡轮的研究主要集中在导叶及动叶两个部件,相对而言对进气结构的研究较少。但是随着导叶和动叶设计手段及加工方法的不断完善,仅仅依靠改善导叶和动叶来提高向心涡轮的效率发展空间有限,因而提高进气结构性能成为进一步提高整机性能的关键。
近期,储能研发中心研究团队针对集气室和蜗壳开展了相关研究。研究人员在向心涡轮入口处采用一个集气室将来流气体分配到周向,使来流气体能够顺利地进入导叶。由于集气室结构较为复杂,流道内流动情况较差,为提高向心涡轮效率,科研人员采用二维设计方法设计矩形截面蜗壳,并通过数值计算研究蜗壳和集气室内部流场细节以及对整机效率的影响。
计算结果表明:1.相比集气室结构,采用蜗壳的向心涡轮进行导流后,其效率、质量流量和功率均有所提高,具有较好的性能;2.与蜗壳相比,集气室内部流动较差且出现较多流动涡,流动损失较大,其总压损失系数远大于采用蜗壳时的总压损失系数;3.
同蜗壳相比,集气室出口处流场分布不均匀,造成导叶流道内流动较差,流动损失较大;4.带集气室和带蜗壳的向心涡轮动叶入口速度和气流角比较接近,这说明经导叶的加速和整流后,在导叶出口气体气动参数差别不大。
