研究背景
压缩空气储能系统具有容量大、工作时间长、经济性能好、充放电循环多等优点，但目前还存在传统压缩空气储能系统需要燃烧化石能源、小型系统的效率不高和大型系统需要特定的地理条件建造储气室等缺点。为了解决这些问题，中国科学院工程热物理研究所提出了超临界压缩空气储能系统。在超临界压缩空气储能系统中，涡轮作为核心部件之一，其性能直接影响着储能系统的整体性能。
针对用电负荷的变化，储能系统的涡轮常在非设计工况下运行，其变工况性能对储能系统效率和稳定性至关重要，而改变导叶安装角是改善涡轮变工况性能的主要方式之一。对于不同变几何涡轮形式，英国R.R公司的试验表明，改变涡轮导叶安装角是改善涡轮性能的最有效途径。近几十年的研究也表明，改变涡轮导叶安装角已经成为变几何涡轮技术发展的主要方向，国内外研究机构对此进行了很多相关研究。
国外方面，WALKINGSHAW等采用CFD分析了可调导叶的开度对向心涡轮端部泄漏以及动叶流场的影响。CAMPBELL等开展了变几何向心涡轮发动机可行性的理论和实验研究。MOFFITT等通过实验的方法研究表明改变导叶通道面积会影响向心涡轮的效率。ROY-AIKINS研究了使用可调导叶来改善非设计工况下向心涡轮性能的方法。SPENCE等和ARTT等对7种不同导叶安装角的单级向心涡轮进行了性能测试，并比较了4种不同损失模型。国内方面，陈榴等研究了非设计工况下可调导叶变几何向心涡轮的流通特性。邢世凯研究了非均匀布置可调导叶对向心涡轮性能的影响。林绍琰等和潘波等研究了可调导叶叶顶间隙对向心涡轮的影响和泄漏的控制方法。
创新点及解决的问题
采用CFD方法对国内首台MW级超临界压缩空气储能试验台所采用的四级再热向心涡轮的变几何特性进行了整体数值计算与分析。结果表明，在计算范围内：第三级导叶开度增大时，该级膨胀比变化最大，其次是第二级膨胀比，且第二、三级等熵效率变化较大；随着第一、三级导叶开度增大，系统的各级膨胀比趋向于均匀分布，质量流量、总功率、平均等熵效率及比功等参数均增加；当系统变负荷运行时，可以采用第一、三级导叶开度联调的方式，从而扩大多级涡轮流量和总出功的调节范围，同时，采用变第一级导叶开度来实现大范围调节，而采用变第三级导叶开度实现性能参数的微调；当第一级入口总压低于设计值时，调节第一、三级导叶开度为80%时系统平均等熵效率、总功率提高，可实现系统在较宽变工况范围内高效运行。
重点内容导读
1 研究对象及方法
1.1 研究对象
本文研究对象是国内首台MW级超临界压缩空气储能试验台膨胀机子系统，它包括四级向心涡轮和级间换热器。工质依次经过各级换热器和向心涡轮，四级涡轮采用高速齿轮箱集成，通过齿轮箱主轴带动发电机发电（图1）。在设计工况下，该膨胀机系统的一、二级转速为40000 r/min，三、四级转速为20000 r/min。每级进口总温为120 ℃，第一级进口总压为7.0 MPa，第四级涡轮出口和大气相连。
图1 四级再热向心涡轮示意图
1.2 研究方法
本文采用整体数值计算的方法对多级再热向心涡轮进行计算分析，在保证计算结果准确的前提下把各级旋转轴统一为Z轴，并在各级导叶前加入换热器，最终数值计算模型如图2所示。
图2 数值模拟结构示意图
（a）第一级
（b）第三级
（c）四级整体
图3 计算网格示意图
2 计算方法验证
为了验证数值模拟所用的商用软件CFX对于向心涡轮计算的准确性，采用NASA科技论文报 告中的开式向心涡轮作为研究对象（图4），采用k-ε湍流模型对涡轮的整体性能进行计算分析，计算结果如表1和图5所示。由于在数值模拟中并未考虑动叶背部间隙，冷热态测量偏差，且引入了一些理想假设，如动静交界面周向平均处理、绝热壁面及动叶出口静压展向等值分布等，必然会对结果造成一些偏差，尤其在涡轮的效率上更加明显。但从总体上讲，数值模拟值和实验值较吻合，证明了数值模拟计算方法可信。
图4 NASA开式向心涡轮示意图
图5 向心涡轮进出口不同叶高位置总温比
3 计算结果分析
3.1 单级变几何
3.1.1 单级变几何总体性能
3.1.2 变第一级导叶开度和变第三级导叶开度比较
3.2 多级导叶联调
3.3 变工况调节
结论
本文针对带有第一、三级可调导叶的多级再热向心涡轮，通过数值方法研究了可调导叶对于多级再热向心涡轮性能的影响规律。在研究范围内，得到如下主要结论。
（1）单独调节第三级导叶开度时，随第三级导叶开度的增大，该级膨胀比变化最大，且急剧减小，其次是第二级膨胀比，增加较大，其它各级变化较小；第二、三级等熵效率变化较大，其它各级变化较小。
（2）第一、三级导叶开度联调时，随第一、三级导叶开度的增大，系统的各级膨胀比趋向于均匀分布，质量流量、总功率、平均等熵效率及比功等参数均增加，第一、三级导叶开度均为80%时，系统质量流量、总功率、平均等熵效率及比功最高。
（3）当系统变负荷运行时，可以采用第一、三级导叶开度联调的方式，可扩大流量和总出功的调节范围，同时，采用变第一级导叶开度来实现大范围调节，采用变第三级导叶开度实现性能参数的微调。
（4）当第一级入口总压低于设计值时，调节第一、三级导叶开度为80%时系统平均等熵效率、总功率提高，可实现系统在较宽变工况范围内高效运行。
标签：导叶,开度,储能,多级,涡轮,向心,工况,联调 来源： https://blog.51cto.com/u_15127589/2736603
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