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(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級壓縮空氣儲能系統(tǒng)中，由于膨脹比大、體積流量小，因此采用多級向心渦輪結(jié)構(gòu)形式并在級間加入再熱裝置，結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。為進一步提高壓縮空氣儲能系統(tǒng)中渦輪性能，中國科學(xué)院工程熱物理研究所儲能研發(fā)中心研究人員圍繞多級再熱向心渦輪中可調(diào)導(dǎo)葉展開了相關(guān)研究，并取得階段性進展。

研究工作重點包括可調(diào)導(dǎo)葉對多級再熱向心渦輪總體特性影響和可調(diào)導(dǎo)葉內(nèi)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(tǒng)一為一個坐標系旋轉(zhuǎn)軸，并在每級進口前設(shè)置再熱器，如圖2所示。通過多孔介質(zhì)損失模型來實現(xiàn)對再熱器的模擬。計算采用k-ε湍流模型，在內(nèi)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(jié)果表明，導(dǎo)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(zhì)量流量、總出功和導(dǎo)葉開度近似成正比關(guān)系。當需要系統(tǒng)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(tǒng)氣動效率，但其比功較小。可調(diào)導(dǎo)葉開度發(fā)生變化時，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，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，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)基金和國家國際科技合作專項等項目的支持，相關(guān)研究成果已發(fā)表于《中國電機工程學(xué)報》。

圖1 多級再熱向心渦輪結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 多級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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