超临界压缩空气储能系统多级向心透平研究

【摘要】电力储能系统在电力系统中作用日益显著,压缩空气储能技术是目前能大规模商业运营的两种电力储能技术之一,但传统压缩空气储能技术依赖化石能源,能量密度低,为克服传统压缩空气储能系统的缺点,学者们提出了超临界压缩空气储能系统,多级向心透平是超临界压缩空气储能系统关键部件之一,其性能直接影响储能系统效率,因此,为研发高效稳定的多级向心透平,提高储能系统效率,非常有必要对多级向心透平进行全面细致研究。本文对超临界压缩空气储能系统多级向心透平系统进行总体热力学分析,通过自编程序对多级向心透平进行设计研究,完成四级向心透平设计,再对向心透平内部流场和变工况特性进行研究,搭建超临界压缩空气储能系统四级向心透平实验平台,并对其进行实验研究,主要研究内容如下：1.详细研究了多级向心透平系统的热力过程,分析系统能量分布和(?)分布,研究分别以热效率、(?)效率和系统出功为优化目标下多级向心透平系统性能,确定不同热源温度下多级向心透平的优化目标函数,并对MW级超临界压缩空气储能系统中的多级向心透平进行总体设计。2.开展四级向心透平设计研究,以实验数据为基础,确定了以载荷系数、流量系数、比转速和速比为多目标优化的设计程序,发展一套将一维设计、叶片造型和三维优化校核有机结合的向心透平设计程序,并完成四级向心透平的设计工作,确定第一、二级向心透平叶轮为闭式叶轮,第三、四级向心透平叶轮为半开式叶轮。3.利用CFD技术对向心透平进行三维流场研究,分析导叶和叶轮流道内马赫数、压力和熵的变化特性,并对导叶出口参数进行分析,其与设计值基本吻合,导叶损失区集中在喉道和叶片表面,叶轮损失区集中在叶顶截面和尾迹区。对向心透平变工况特性研究表明,向心透平的转速和膨胀在较大范围内变化时都能保持较高的效率。4.搭建了首个MW级超临界压缩空气储能系统四级向心透平实验台,包括四级向心透平实验件、齿轮传动系统、能量耗散系统、压力调节系统和温度控制系统等,该实验台满足高转速、高膨胀比多级向心透平的实验要求。对四级向心透平进行实验研究,分析系统启动特性和总体性能,其启动时间在5min内；进口压力7.0MPa时,实验各级透平的等熵效率分别为80.0%、87.9%、82.2%和89.1%,总效率为84.4%。
【作者】张雪辉；
【导师】陈海生；
【作者基本信息】中国科学院研究生院（工程热物理研究所），动力机械及工程，2014，博士
【关键词】超临界压缩空气储能系统；多级向心透平；热力分析；设计方法；数值模拟；实验研究；

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