受負荷、進口壓力、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行，此時可通過調節可調導葉開度來改變向心渦輪質量流量、焓降等參數，以改善變工況下的渦輪性能。在1.5MW級壓縮空氣儲能系統中，由于膨脹比大、體積流量小，因此采用多級向心渦輪結構形式并在級間加入再熱裝置，結構示意如圖1所示。為進一步提高壓縮空氣儲能系統中渦輪性能，中國科學院工程熱物理研究所儲能研發中心研究人員圍繞多級再熱向心渦輪中可調導葉展開了相關研究，并取得階段性進展。
研究工作重點包括可調導葉對多級再熱向心渦輪總體特性影響和可調導葉內部流動特性兩個方面。在總體特性影響研究中，將四級渦輪統一為一個坐標系旋轉軸，并在每級進口前設置再熱器，如圖2所示。通過多孔介質損失模型來實現對再熱器的模擬。計算采用k-ε湍流模型，在內部流動特性的研究中，為了更好地獲得邊界流動特性，采用SST湍流模型，進出口邊界條件采用總體特性計算獲得的邊界條件。
研究結果表明，導葉開度增加時，第一級膨脹比減小，第四級膨脹比增加，第三級膨脹比先增加后保持不變，第二級膨脹比幾乎不變。質量流量、總出功和導葉開度近似成正比關系。當需要系統負荷運行時，采用變進口壓力的方式比采用變開度方式更容易保證系統氣動效率，但其比功較小?？烧{導葉開度發生變化時，總壓損失主要發生在通道后20%的區域。導葉開度減小時，在導葉后20%區域內，通過葉頂間隙泄漏流更容易與葉高中間部分主流摻混導致二次流損失增加，尤其是在小開度時，這種不均勻性更加明顯，導致導葉后20%區域的熵增增大，如圖3所示。葉根和葉頂兩側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基金和國家國際科技合作專項等項目的支持，相關研究成果已發表于《中國電機工程學報》。
圖1 多級再熱向心渦輪結構示意圖
圖2 多級再熱向心渦輪整體數值模擬示意圖
圖3 50%展向位置不同開度下的熵云圖
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