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(shí)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(jí)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)中，由于膨脹比大、體積流量小，因此采用多級(jí)向心渦輪結(jié)構(gòu)形式并在級(jí)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(chǔ)能系統(tǒng)中渦輪性能，中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所儲(chǔ)能研發(fā)中心研究人員圍繞多級(jí)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(duì)多級(jí)再熱向心渦輪總體特性影響和可調(diào)導(dǎo)葉內(nèi)部流動(dòng)特性兩個(gè)方面。在總體特性影響研究中，將四級(jí)渦輪統(tǒng)一為一個(gè)坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)軸，并在每級(jí)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(duì)再熱器的模擬。計(jì)算采用k-ε湍流模型，在內(nèi)部流動(dòng)特性的研究中，為了更好地獲得邊界流動(dòng)特性，采用SST湍流模型，進(jìn)出口邊界條件采用總體特性計(jì)算獲得的邊界條件。

研究結(jié)果表明，導(dǎo)葉開度增加時(shí)，第一級(jí)膨脹比減小，第四級(jí)膨脹比增加，第三級(jí)膨脹比先增加后保持不變，第二級(jí)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(shí)，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(dòng)效率，但其比功較小?？烧{(diào)導(dǎo)葉開度發(fā)生變化時(shí)，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(shí)，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(shí)，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(guó)家國(guó)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(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)》。

圖1 多級(jí)再熱向心渦輪結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 多級(jí)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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