在壓縮空氣儲能系統中, 多級再熱向心透平的性能對系統效率有顯著影響. 儲能系統實際運行過程中, 多級再熱向心透平經常處於非設計工況下運行, 因此有必要開展其變工況特性研究與分析. 近日, 中國科學院工程熱物理研究所儲能研發中心通過數值和實驗方法開展了相關研究, 並取得新進展.
研究人員首先提出了整體數值計算的方法, 採用多孔介質模型來類比級間板翅換熱器, 給定進出口邊界條件通過一次計算即可獲得各級參數匹配及總體性能, 數值計算模型如圖1所示. 研究人員對不同變進口總壓, 轉速, 再熱溫度, 第一級導葉開度等四種條件下多級再熱向心渦輪的特性進行了分析, 分別研究各變工況條件下各級膨脹比, 效率, 出功, 質量流量等變化規律及特性. 結果顯示: 當進口總壓下降時, 平均效率基本不變, 但是第四級的效率下降較大; 當轉速下降時, 平均效率下降; 當再熱溫度提高時, 系統的出功大幅增加, 但平均效率有明顯的下降; 當開度減小時, 第四級膨脹比減小, 第一級增加, 二, 三級變化較小, 平均效率有所下降.
同時, 研究人員發現導葉通道內的損失主要集中在葉片出口吸力面一側與導葉出口尾緣部分, 由葉頂間隙引起的總壓損失佔比較小, 總壓損失主要發生在導葉通道的後20%區域. 動葉通道內的熵增比較均勻, 屬於均勻載入型葉片. 導葉開度減小時, 在導葉通道的後20%區域內, 通過葉頂間隙的泄漏流更易與葉高中間部分的主流摻混, 導致二次流損失增加. 當進口總壓降低時, 動葉表面部分壓力面壓力甚至低於吸力面壓力, 導致該部分葉片耗功而平均效率下降.
相關研究成果已發表在國際期刊Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A: Journal of Power and Energy.
圖1 多級再熱向心透平類比示意圖
圖2 多級再熱向心透平變工況總體特性
