壓縮機(jī)作為壓縮空氣儲能系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，其性能對系統(tǒng)整體熱力性能、經(jīng)濟(jì)性有著重要影響。離心壓縮機(jī)具有效率高、調(diào)節(jié)性能好和結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點，可以滿足壓縮空氣儲能系統(tǒng)對高效變工況壓縮過程的需求。擴(kuò)壓器是離心壓縮機(jī)中的重要部件，起著降速增壓的作用，其效率往往決定著壓縮級的性能優(yōu)劣。與常規(guī)葉片擴(kuò)壓器相比，低稠度葉片擴(kuò)壓器具有較寬的穩(wěn)定工況范圍，但葉片較少，不存在幾何喉口，效率相對較低;與無葉擴(kuò)壓器相比，低稠度葉片擴(kuò)壓器內(nèi)部流動損失小，效率較高。鑒于低稠度葉片擴(kuò)壓器的以上優(yōu)點，為進(jìn)一步提高離心壓縮機(jī)性能，儲能研發(fā)中心研究人員圍繞離心葉輪和低稠度葉片擴(kuò)壓器匹配設(shè)計展開了相關(guān)研究，并取得階段性進(jìn)展。

研究人員以當(dāng)量擴(kuò)張角為判斷依據(jù)，提出了一種低稠度葉片擴(kuò)壓器設(shè)計方法(圖1)。如圖所示，通過給定葉輪出口參數(shù)(半徑r2、葉高b2和絕對馬赫Ma2)和擴(kuò)壓器進(jìn)口參數(shù)(葉片安裝角α3b、葉高b3和葉片數(shù)Z3)，確定當(dāng)量擴(kuò)張角θls和稠度σ，隨后迭代求得擴(kuò)壓器進(jìn)出口半徑r3和r4、出口葉高b4和出口葉片安裝角α4b。在獲得低稠度葉片擴(kuò)壓器幾何參數(shù)后，進(jìn)行性能計算，若滿足需求，則對葉片進(jìn)行三維造型及三維流場數(shù)值模擬，并對結(jié)果進(jìn)行分析。若不滿足需求，則重新選取擴(kuò)壓器進(jìn)口幾何參數(shù)。

同時，結(jié)合離心葉輪兩區(qū)域模型求解過程，研究人員提出了一種低稠度葉片擴(kuò)壓器性能計算方法(圖2)。如圖所示，在低稠度葉片擴(kuò)壓器中，流體總溫保持不變，且擴(kuò)壓器內(nèi)部只存在總壓損失，壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能，即?hdi=cp(T4-T4s)。無葉擴(kuò)壓器出口關(guān)鍵氣動參數(shù)如總溫T03、靜溫T3、總壓P03、靜壓P3和流動角α3，通過對葉輪進(jìn)行數(shù)值計算獲得。之后輸入二次流質(zhì)量比χ4和二次流偏離角δs4(假如主流出口處無滑移，即δp4=0)，對主流、二次流區(qū)域分別計算，結(jié)合LSVD內(nèi)部流動特性，得到混合狀態(tài)氣動參數(shù)，詳細(xì)計算流程如圖2所示。

計算結(jié)果如圖3所示，可以看出，在設(shè)計轉(zhuǎn)速下，總壓損失系數(shù)基本在0.1以下，且在設(shè)計點附近存在最小值，說明流動分離較小;靜壓恢復(fù)系數(shù)基本在0.45以上，與壓縮機(jī)級靜壓比變化趨勢一致，隨著流量的增加而減小，在喘振工況處同樣有所減小。此外，低稠度葉片擴(kuò)壓器出口存在射流尾跡結(jié)構(gòu)(圖4)，與實際情況相符，說明基于兩區(qū)域模型所建立的性能計算方法可以作為一維預(yù)設(shè)計的工具，實現(xiàn)低稠度葉片擴(kuò)壓器性能計算。


圖1 低稠度葉片擴(kuò)壓器設(shè)計方法


圖2 低稠度葉片擴(kuò)壓器性能計算方法


圖3 擴(kuò)壓器性能




圖4 擴(kuò)壓器通道三維流線分布