压缩空气储能离心压缩机叶片扩压器研究取得新进展

压缩机作为压缩空气储能系统的关键部件之一，其性能对系统整体热力性能、经济性有着重要影响。离心压缩机具有效率高、调节性能好和结构紧凑等优点，可以满足压缩空气储能系统对高效变工况压缩过程的需求。扩压器是离心压缩机中的重要部件，起着降速增压的作用，其效率往往决定着压缩级的性能优劣。与常规叶片扩压器相比，低稠度叶片扩压器具有较宽的稳定工况范围，但叶片较少，不存在几何喉口，效率相对较低;与无叶扩压器相比，低稠度叶片扩压器内部流动损失小，效率较高。鉴于低稠度叶片扩压器的以上优点，为进一步提高离心压缩机性能，储能研发中心研究人员围绕离心叶轮和低稠度叶片扩压器匹配设计展开了相关研究，并取得阶段性进展。

研究人员以当量扩张角为判断依据，提出了一种低稠度叶片扩压器设计方法(图1)。如图所示，通过给定叶轮出口参数(半径r2、叶高b2和绝对马赫Ma2)和扩压器进口参数(叶片安装角α3b、叶高b3和叶片数Z3)，确定当量扩张角θls和稠度σ，随后迭代求得扩压器进出口半径r3和r4、出口叶高b4和出口叶片安装角α4b。在获得低稠度叶片扩压器几何参数后，进行性能计算，若满足需求，则对叶片进行三维造型及三维流场数值模拟，并对结果进行分析。若不满足需求，则重新选取扩压器进口几何参数。

同时，结合离心叶轮两区域模型求解过程，研究人员提出了一种低稠度叶片扩压器性能计算方法(图2)。如图所示，在低稠度叶片扩压器中，流体总温保持不变，且扩压器内部只存在总压损失，压力能转变为内能，即∆hdi=cp(T4-T4s)。无叶扩压器出口关键气动参数如总温T03、静温T3、总压P03、静压P3和流动角α3，通过对叶轮进行数值计算获得。之后输入二次流质量比χ4和二次流偏离角δs4(假如主流出口处无滑移，即δp4=0)，对主流、二次流区域分别计算，结合LSVD内部流动特性，得到混合状态气动参数，详细计算流程如图2所示。

计算结果如图3所示，可以看出，在设计转速下，总压损失系数基本在0.1以下，且在设计点附近存在最小值，说明流动分离较小;静压恢复系数基本在0.45以上，与压缩机级静压比变化趋势一致，随着流量的增加而减小，在喘振工况处同样有所减小。此外，低稠度叶片扩压器出口存在射流尾迹结构(图4)，与实际情况相符，说明基于两区域模型所建立的性能计算方法可以作为一维预设计的工具，实现低稠度叶片扩压器性能计算。