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CAES离心压缩机叶顶间隙非定常流场结构与高效调节研究

批准号:
52106278
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
周鑫
学科分类:
可再生能源与新能源转化利用
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
周鑫

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
作为压缩空气储能(CAES)系统中核心关键部件离心压缩机是依储能过程的频繁启停与变工况运行等特殊需要设计,研究其叶顶间隙流动带来的损失与流道堵塞影响,对离心压缩机高效稳定运行乃至提升CAES系统效率具有重要意义。本项目以MW级CAES系统压缩机及其关键压缩部件半开式离心叶轮作为研究对象,拟采用理论分析、数值模拟和实验研究的综合方式开展叶轮叶顶间隙非定常流动研究,揭示离心压缩机变工况运行下叶顶间隙非定常流场结构与损失机理,并基于所获影响规律与多目标优化算法完成高性能离心压缩机优化设计。最后再采用全局搜索算法寻求CAES高效宽工况最优调节策略。通过比较系统、全面、深入的理论、实验和数值模拟综合方式,探究叶顶间隙非定常流动特性,进而推进半开式离心叶轮设计理论发展,拓宽同类叶轮机械在多领域、多工况下的应用范围,为进一步产业化研究奠定基础。
英文摘要
As the core component of the compressed air energy storage (CAES) system, centrifugal compressor is designed for special requirements that frequent start and stop of the energy storage process and variable operating conditions. The flow losses and blockage introduced by the tip leakage vortex show great influence on the high efficiency and stability of the centrifugal compressor, and even the efficiency of the CAES system. In the project, the semi-open centrifugal impeller of the MW-class compressed air energy storage system is chosen as the research object. A comprehensive method of theoretical analysis, numerical calculation and experimental research will be carried out on the unsteady flow field of the impeller tip clearance, in order to reveal the unsteady flow field structure and loss mechanism in the tip clearance of the compressor under variable operating conditions. And based on the obtained influence relations, the optimal design of high-performance centrifugal compressor and regulation strategy will be constructed to realize a wide CAES operation conditions. Through systematic, comprehensive and in-depth theoretical, numerical simulation and experimental analysis, the design theory and method for semi-open centrifugal impeller - key components of CAES will be carried out, which will lay the foundation for further large-scale design and industrialization, and further promote the development of renewable energy.
受可再生能源电力波动影响,压缩空气储能(CAES)系统中关键部件离心压缩机需在宽负荷范围内高效运行,且要满足频繁启停的特殊要求。进口来流的空间波动与时间上的非定常特征会对叶顶间隙泄漏流场结构引入额外影响。储释能周期内启、停过程,受轴系振动以及转速变化影响带来的间隙非稳定变化使得叶顶泄漏流场更为复杂。.本项目旨在揭示叶顶间隙非定常流动机理,实现离心压缩机优化设计以提升CAES系统性能。项目综合运用理论分析、数值模拟和实验研究三种方法。通过理论分析搭建叶顶间隙非定常流动理论框架;借助数值模拟详细分析离心压缩机内部主流与叶顶泄漏流场;依托动态实验测试方式进一步研究叶顶间隙内非定常流动;明确了叶轮叶顶处二次泄漏流源于主泄漏流沿旋转方向传播,二者交汇加剧叶顶流动不稳定性;掌握了叶顶间隙变化对压缩机性能的影响规律,同时发现叶顶偏心间隙增大时,叶顶平均相对泄漏量及其增长率上升,失速裕度减小的现象;成功将内流协同分析定量引入优化设计模型,以提高等熵效率、保持流量和总压比为目标,叶型几何参数为变量,完成离心叶轮三维多目标气动优化设计,有效提升离心压缩机性能;明确了导叶调节开度范围设置的合理性,探究了影响效率和压比的主要因素;结合压缩级性能数据与理论分析,构建了CAES高效宽工况最优调节策略;采用遗传算法建立以等熵效率为优化目标,进口导叶开度为优化变量,整机出口流量为约束条件的多可调进口导叶调节寻优,进一步完善了CAES系统中压缩机的调节策略。.本项目成果推进了储能系统压缩机离心叶轮设计理论发展,拓宽同类叶轮机械在多领域、多工况的应用范围,为CAES系统产业化研究筑牢基础,助力可再生能源的高效存储与利用,对推动能源领域可持续发展具有重要意义。
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