作者：沈代兵 1,2 郝佳豪 1,2宋衍昌 1,2楊俊玲 1張振濤 1,3,4越云凱 1,3,4
單位：1. 中國科學院理化技術研討所低溫科學與技術重點實驗室； 2. 中國科學院年夜學； 3. 長沙博睿鼎能動力科技無限公司； 4. 河北省儲能產業技術 研討院
本文亮點：1、面向二氧化碳儲能循環所需的年夜膨脹比寬負荷透平膨脹機研討還較少。 2、針對儲能系統周期性發電和變工況特徵，剖析CO2向心透平內的非穩態流動也是很有需要的。
摘 要透平膨脹機是二氧化碳儲能系統的關鍵裝備，透平葉輪的結構參數優化有利于更好地進步透平膨脹機的整體機能。本文以某百千瓦級二氧化碳儲能系統向心透平為研討對象，起首通過氣動設計獲得該二氧化碳透平的重要結構參數，然后基于Numeca開展流場仿真，剖析了葉輪葉片數、葉輪進吵嘴和葉輪出吵嘴對流動特徵的影響規律，進一個步驟研討了葉頂間隙內的泄漏流和損掉，最后探討了非定常流動特徵下透平機能的變化規律。結果表白：隨著葉輪葉片數的增添，葉輪流道中的低馬赫數區域占比先下降后增添；葉輪進吵嘴和葉輪出吵嘴顯著影響透平內流動分離區域和渦面積分布，優化葉輪角后的透同等熵效力達83.65%，較初始設計進步了0.75%；透同等熵效力隨葉頂間隙的增添而減小，且近似呈線性變化；噴嘴尾跡流會惹起葉輪內的非定常流動，且透同等熵效力較定常工況時降落了0.57%。
關鍵包養詞二氧化碳儲能；透平膨脹機；結構參數；葉頂間隙泄漏；非定常流動
為應對化石動力可持續應用和溫室氣體排放帶來的動力和氣候問題，發展可再生動力已成為國內外的廣泛共識。但是，風電、光伏等可再生動力具有顯著的波動性和間歇性，年夜規模可再生動力電力并網會影響電網的穩定運行，而儲能技術被視為應對該問題的有用辦法之一。二氧化碳儲能是一種新型壓縮氣體儲能技術，可有用解決年夜規模長時儲能的地輿性依賴，且具有運行壽命長、儲能效力高、儲能密度年夜等技術優勢，是以遭到國內外學者的廣泛關注。
在二氧化碳儲能系統優化設計方面，Wang等提出了一種液態存儲型二氧化碳儲能系統，通過參數化剖析表白系統的往復效力可以達到56.64%。Liu等對比了采用兩個地下儲氣室的跨臨界和超臨界二氧化碳儲能系統，結果表白超臨界系統的結構布局更簡單，跨臨界系統的往復效力和?效力更高，分別為63.35%和53.02%。Li等將二氧化碳儲能系統與二氧化碳熱泵系統相結合，以進步數據中間能效，在儲能的同時實現制冷和生涯供熱。Liu等對跨臨界二氧化碳儲能系統進行了熱力學和先進?剖析，發現比擬于壓縮機效力，膨脹機效力對于系統機能的影響更為顯著。
從設備與系統關系上看，膨脹機是二氧化碳儲能系統的重要組成部件之一，直接影響系統穩定持續放電，對系統儲能效力具有主要影響。從透平情勢區分，速率型膨脹機重要包含向心透平膨脹機和軸流透平膨脹機。向心透平的單級膨脹比更高，且份量較輕，適用于小流量工況。Zhou等設計了1.5 MW超臨界二氧化碳(SCO2)向心透平，在設計工況下，一維結果與模擬結果基礎吻合，透平內無明顯的流動分離區域，在非設計工況下，兩者的相對誤差在5%以內。Lv等對SCO2透平的損掉關系式進行了篩選驗證，并應用序列二次規劃算法對設計參數進行優化，優化后透平在年夜部門工況下機能獲得晉陞。Uusitalo等剖析了功率標準和比轉速對SC包養甜心網O2向心透平設計和機能的影響，在0.1～3.5 MW范圍內，最佳比轉速范圍為0.5～0.6。隨著比轉速的增添，靜葉損掉所占份額減小，而葉頂間隙和出口動能損掉所占份額增添。Zhou等對包養故事SCO2布雷頓循環進行了參數優化，并對向心透平進行設計剖析，透平在設計工況和非設計工況下均能堅持較好的機能。施東波等提出了基于Gauss過程回歸的一維優化設計方式，優化后透平效力由83.68%進步至91.20%。
文獻綜述表白，包養條件除葉輪熱力設計和流動損掉模子研討之外，鑒于透平內流體的三維流動特征，結構參數也會對透平機能產生顯著影響。是以，通過結構參數優化滿足設計工況包養行情下CO2向心透平的最佳機能，顯得尤為主要。此外，現有CO2向心透平研討多基于超臨界二氧化碳布雷頓循環，面向二氧化碳儲能循環所需的年夜膨脹比寬負荷透平膨脹機的研討還較少。針對儲能系統周期性發電和變工況特徵，進一個步包養一個月價錢驟剖析CO2向心透平內的非穩態流動也是很有需要地。
綜上所述，本文起首對二氧化碳儲能系統向心透平進行氣動設計，其次剖析了葉輪葉片數、葉輪進吵嘴、葉輪出吵嘴和葉頂間隙對透平機能的影響，最后剖析了透平非定常流動與透平整體機能的關系。
1 CO2向心透平設計及流場剖析
1.1CO2向心透平設計及建模
二氧化碳儲能系統通過將熱力學能、壓力勢能與電能進行彼此轉換，以此實現能量的存儲與釋放。作者地點團隊于2023年在河北廊坊建設了百千瓦級液態二氧化碳儲能示范驗證系統，并就系統工藝流程優化和關鍵設備開是縮成一團，微弱地哼叫著。發開展研討。該系統在典範工況下的理論儲能效力可達55%擺佈，系統的總體布局如圖1所示。CO2透平作為重要的做功部件，通過將高溫高壓的二氧化碳進行膨脹降壓并帶動發電機發電。該二氧化碳儲能系統向心透平的重要設計參數如表1所示。
圖1 百千瓦級二氧化碳儲能系統 (a) 及其透平膨脹機 (b)
表1 CO2透平的設計參數
起首對CO2向心透平進行一維設計，在設計時盡量保證透平效力最年夜，透平效力的表達式如式(1)所示。此外需求考慮噴嘴出口馬赫數、葉輪沖角、相對馬赫數等的限制，選擇合適的特徵比和反動度，并確定噴嘴速率系數、葉輪速率系數、輪徑比等參數的取值。該透平的重要設計結果如表2所示。
(1)
公式中，
為特徵比；
為葉輪速率系數；
為噴嘴速率系數；
為葉輪進口絕對氣流角；
為葉輪出口相對氣流角；
為輪徑比；
為反動度。
表2 CO2透平的重要設計結果
根據一維設計結果，應用渦輪機械設計軟件Concepts NREC對透平進行模子構建，將天生的結構導進仿真軟件Numeca中進行數值剖析。在Autogird5中進行網格劃分，為捕獲邊界層內的流動，需求對近壁面網格進行加密，參照式(2)分別確定噴嘴長期包養和葉輪的近壁面網格寬度。
(2)
公式中，
為參考速率，可以取進口速率，m/s；
為運動黏度，m2/s；
為參考長度，可以取葉輪直徑，m；
為無量綱參數，對于低雷諾數模子，普通取值為1～10。
網格劃分之后，需求設置邊界條件和流動模子，以模擬透平內的流動情況。進口邊界條件給定總溫、總壓和速率標的目的，出口邊界條件給定均勻靜壓。動靜接壤面采用混雜立體法，考慮計算的準確性和收斂速率，采用SA湍流模子。對網格進行無關性驗證，分歧網格數量的模擬結果如圖2所示。對于單流道的噴嘴和葉輪，當網格數量在第短期包養4組214萬時，透同等熵效力和輸出功率基礎不發生變化。此時噴嘴和葉輪的網格結構如圖3所示。
1.2CO2向心透平流場剖析
應用Numeca的Euranus求解器對CO2向心透平進行流場模擬，模擬結果與設計計算結果的對好比表3所示，設計值與模擬值的誤差小于5%，表白該設計較為公道。兩者在等熵效力方面的誤差最年夜為4.15%，重要是因為一維設計時多采用經驗關系式對透平內的損掉進行估計，但透平內的流動是三維和黏性的，在流道中往往存在流動分離、回流和二次流等復雜流動，所以損掉預算時存在誤差。
表3 設計結果與模擬結果對比
在設計工況下，透平內的流場分布如圖4所示。透平內的流線分布較連續，無明顯的速率突變，沿著整個流道，CO2絕對速率逐漸下降。葉輪出口相對速率年夜于進包養網口相對速率，以確保不會產生回流。透平手部有渦存在，在噴嘴尾緣和葉輪吸力面輪蓋處存在漩渦，噴嘴尾緣渦的產生是由噴嘴吸力面和壓力面流體的匯聚惹起的，葉輪吸力面輪蓋處的渦是由葉頂間隙處的泄漏流惹起的。葉頂間隙處的泄漏流如圖5所示，壓力面的部門包養站長流體由葉頂間隙泄漏到吸力面，構成二次流動，進而影響主流流場并減小做功量。
該CO2透平內的靜壓、靜溫分布如圖6所示。CO2起首進進噴嘴流道，在噴嘴中溫度變化較快，由于葉片厚度的影響，噴嘴葉片尾緣處會產生高溫尾跡。之后工質流進葉輪流道，葉輪內的溫度變化重要集中在后半部門，由于泄漏流動的影響，葉輪輪蓋處會出現低溫區域。CO2透平內壓力的變化較為均勻，在葉輪葉片尾緣，由于壓力面與吸力面流體的匯流，產生擴壓效應使部分的壓力略高。總體來說該透平內溫度和壓力的變化較連續，沒有明顯突變區域。
圖6 設計工況下透平內靜溫 (a) 和靜壓 (b) 分布
噴嘴和葉輪分歧葉高處的靜壓分布如圖7所示。由于噴嘴采用的是直葉片，是以噴嘴內的流動較為均勻，分歧葉高處的靜壓分布基礎分歧，在吸力側0.2流向地位處，由于流動標的目的的轉變，沿流動標的目的的面積增添，出現擴壓段使得壓力稍微降低；在噴嘴尾緣處，由于邊界層的影響出現了壓力波動。葉輪分歧葉高處的壓力分布存在明顯的區別，隨著葉片高度的增添，壓力面和吸力面的壓差總體上是逐漸增添的；而沿著葉片流動標的目的，吸力面與壓力面的壓差逐漸減小，在葉輪進口處存在最年夜的壓力差；除葉片尾緣由于尾流渦形成壓力波動外，其余地位無明顯壓力波動包養感情。
包養圖7 噴嘴 (a) 和葉輪 (b) 分歧葉高處的靜壓分布
二氧化碳儲能系統運行工況的變化，會惹起透平的運行參數偏離設計值。為保證儲能系統的穩定運行，需求對CO2向心透平在非設計工況下的機能進行剖析。CO2向心透平變工況剖析重要包含變進口壓力、變進口溫度和變轉速，此中變進口壓力對于CO2向心透平的質量流量和輸出功率影響較年夜，且向心透平進口壓力重要通過影響質量流量的變化來影響輸出功率。是以本文堅持其他邊界條件不變，改變透平進口壓力，剖析其對該CO2向心透平機能的影響。該CO2向心透平在進口壓力低于1.7 MPa或高于12 MPa時，模擬結果不收斂，且變工況剖析凡是取偏離設計工況±50%的范圍，是以進口壓力的變化范圍取為1.8～4.2 MPa。進口壓力對于透平機能的影響如圖8所示，當進口壓力由1.8 MPa變化到4.2 MPa時，該CO2向心透平的等熵效力先增添后減小，在設計點四周達到最年夜等熵效力83.51%。對于每個向心透平，存在一個最佳的特徵比，當進口壓力變化時，特徵比偏離最佳值，導致透同等熵效力包養網下降。對于CO2向心透平，更關注其在偏離設計工況±20%范圍內的機能變化。該CO2向心透平在偏離設計工況
20%(
0.6 MPa)的范圍內，透平的等熵效力高于82%，表白該透平的變工況機能較好。
隨著進口壓力的增添，該CO2向心透平的質量流量逐漸增添，且增添的趨勢逐漸平緩。進口壓力由1.8 MPa變化到4.2 MPa，質量流量由0.724 kg/s增添到2.25 kg/s。該向心透平的通流面積不變，進步進口壓力增添了CO2的密度，導致質量流包養網dcard量增添。向心透平流量系包養數的定義如式(3)所示，在透平壓力變化時，流量系數的變化范圍為0.46～1.44，與推薦的流量系數調節空間0.4～1.2相接近。進口壓力的增添使輸出功率由18.84 kW增添到148.48 kW，且變化趨勢近似呈線性，進口壓力每變化10%(0.3 MP包養網VIPa)，輸出功率相應地增添19.2%(16.2 kW)。
(3)
公式中，
為流量系數；
為實際運行的透平質量流量，kg/s；
為設計工況下透平的質量流量，kg/s。隨著進口壓力變化，該CO2向心透平的體積流量變化如表4所示，體積流量先增添并在設計點四周達到最年夜值，之后體積流量的變化趨于平穩并略有下降。進口壓力的增添進步了透平的通流才能，使體積流量增添。但繼續增添進口壓力會使葉輪進口和尾緣的高流速區域增添、能量損掉增添且體積流量會逐漸降落。
表4 進口壓力對體積流量的影響
2 向心透平幾何結構優化
葉輪的結構直接影響透平的做效能力。葉輪葉片數、葉輪進吵嘴、葉輪出吵嘴、葉頂間隙等幾何參數會影響透平內的損掉，從而影響透平的機能。葉輪葉片數較多可以下降葉片載荷，優化透平內流場，可是葉片數過多晦氣于加工，且會增添邊界層效應。葉片數較少可以增添通流面積，但會影響流動均勻性。葉輪進吵嘴和葉輪出吵嘴會影響透平流道內漩渦和流動分離區域的面積及地位，進而影響透平效力和輸出功率。下降葉頂間隙有助于減小泄漏流，可是葉頂間隙過小會影響透平的平安運行，是以需求剖析葉頂間隙與透平效力之間的變化關系。葉輪進吵嘴
、葉輪出吵嘴
、葉頂間隙
如圖9所示。
圖9 葉輪進吵嘴、葉輪出吵嘴 (a) 和葉頂間隙 (b) 表示圖
2.1葉輪葉片數優化剖析
葉輪的葉片數可以根據Glass宋微轉頭，看到對方遞來的毛巾，接過後說了聲謝謝。man經驗關系式確定，其表達式如式(4)所示。該CO2向心透平初始葉輪葉片數為14個，別的選取葉輪葉片數為12、13、15、16、17的五種設計作為對比。堅持網格數量和邊界條件不變，剖析葉輪葉片數對于透平機能的影響。圖10顯示分歧葉輪葉片數下透平50%葉高處的馬赫數分布，隨著葉輪葉片數的增添，流道中的馬赫數分布趨于均勻，尾緣的低馬赫數區域逐漸縮小，當葉片數達到14個時，流道尾緣的低速區域面積已較小，可是葉片數超過16個后，流道前緣的低馬赫數區域增添。過多的葉輪葉片數量會導致流道變窄，增強邊界層效應，此外還會增添制形成本，影響系統的經濟性。對于該CO2向心透平，14～16個葉輪葉片數比較合適。
(4)
公式中，
為葉輪葉片個數；
為葉輪進口絕對速率與切向標的目的的夾角。
圖10 分歧葉片數下透平相對馬赫數分布
2.2葉輪進吵嘴優化剖析
在葉輪設計時，為使得工質垂直進進葉輪，普通令進口相對速率角和葉輪安裝角度雷同。可是由于葉輪的旋轉以及壓力面與吸力面的壓力梯度，為使流體加倍順暢地進進葉輪，進射角普通不為零。該CO2向心透平初始葉輪進吵嘴度為0°，在-20°～20°范圍內，參照文獻[23]中的取值間隔甜心花園，另取-20°、-10°、10°、20°四組設計作為對照。
圖11顯示了分歧葉輪進吵嘴下CO2向心透平的機能變化，當進包養俱樂部吵嘴由-20°變化到20°時，透平的等熵值效力和輸出功率均先增添后減小，在葉輪進吵嘴為-10°時透平的等熵效力和輸出功率最年夜，分別為83.07%和84.59 kW。透平出口速率隨著葉輪進吵嘴的增添而逐漸增添，可是變化幅度較小。
圖12表白分歧葉輪進吵嘴下CO2透平內的流線分布，在葉片的吸力面存在一個流動分離區域。在-20°時，葉輪進口處還存在小范圍低速區域，隨著葉輪進吵嘴的增添，進口處的低速區域消散，-10°時吸力面流動分離區域面積與-20°時差異較小。繼續增添葉輪進吵嘴，流動分離區域的面積逐漸增添，且流動分離區域逐漸向下流移動，在20°時，流動分離區域已經從葉輪流道的前緣移動到流道中部區域。
圖12 分歧葉輪進吵嘴下透平流線分布
在葉輪損掉中占比較年夜的是間隙損掉、流道損掉和余速損掉，占葉輪損掉的90%擺佈。在葉輪葉頂間隙不變時，可以認為間隙損掉基礎不變。CO2透平出口速率的變化較小，可以疏忽余速損掉變化對于透平效力的影響。是以在葉輪進吵嘴變化時，流道損掉的變化占據重要位置，此時透平內的流道損掉先減小后增年夜，在-10°時流道損掉最小，過年夜或過小的葉輪進吵嘴都會增添吸力面的流道損掉。是以-10°可認為是該CO2向心透平的最佳進吵嘴，該數值與理論結果接近。
2.3葉輪出吵嘴優化剖析
葉輪出吵嘴決定了工質的膨脹流動和出口速率鉅細，合適的葉輪出吵嘴可以下降流動分離。葉輪進吵嘴取為-10°，改變葉輪出吵嘴，剖析其對透平機能的影響。葉輪出吵嘴的初始值為-63°，考慮葉片幾何結構的限制，葉輪出吵嘴度最年夜值約為-82°。是以選取-53°、-73°、-82°三組作為對照。
分歧葉輪出吵嘴下透平機能對好比表5所示，隨著葉輪出吵嘴變化，透平效力先增添后下降，在-73°時透平的等熵效力最年夜為83.65%。在-82°時流動出現梗塞，包養甜心網透平質量流量和功率變為1.506 kg/s和80.85 kW，較初始設計下降了3.65%宋微愣了一下，隨後抿著嘴笑包養網道：「陳居白，你真笨。」和4.07%。
表5 分歧葉輪出吵嘴下透平機能對比
分歧葉輪出吵嘴下20%葉高處的流線分布如圖13所示，當葉輪出吵嘴由-82°變化到-53°時，葉片吸力面的渦標準逐漸減小，葉輪出口相對速率逐漸減小，葉輪出口處的流動逐漸惡化且渦面積逐漸增添，在-53°時可以在葉輪出口處觀察到明顯的渦分布。50%葉高處的流線分布如圖14所示，葉片吸力面均有渦分布，且隨著葉輪出吵嘴的增添，葉輪出口處的渦面積逐漸擴年夜。80%葉高處的流線分布如圖15所示，葉輪出口處的渦不明顯，但葉輪吸力面渦分布較葉根和葉中處的明顯。是以對于該CO2向心透平，葉輪出口處的渦分布重要集中在葉根和葉中處，吸力面處的渦分布重要集中在葉頂處。隨著葉輪出吵嘴變化，總的渦損掉先減小后增添，在-73°時透平機能最優。
圖13 20%葉高處流線圖
圖14 50%葉高處流線圖
圖15 80%葉高處流線圖
優化葉輪進吵嘴和出吵嘴后，該CO2向心透平在設計點的等熵效力較初始設計晉陞了0.75%。為詳細剖析該透平的機能變化，需求對非設計工況進行驗證。采用與原設計雷同的變工況模擬，進包養口壓力由1.8 MPa增添到4.2 MPa，其他邊界條件堅持不變。優化后透平的等熵效力變化如圖16所示。除了高膨脹比工況外，優化后CO2向心透同等熵效力獲得晉陞，且在低膨脹比工況下透同等熵效力的進步幅度在0.31%～1.02%之間，有利于二氧化碳儲能系統在高壓儲罐壓力下降的情況下穩定運行。
3 葉頂間隙剖析
為保證CO2向心透平的平安運行，需求在葉輪葉片頂部與輪蓋之間保存間隙，但間隙的增添會形成透平機能的降落。對SCO2向心透溫和有機工質向心透平葉頂間隙的研討表包養甜心網白，當葉頂間隙每增添1%，透平效力相對下降0.64%和0.53%。參考SCO2向心透平葉頂間隙的取值，該透平的葉頂間隙分別取為0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm、0.4 mm、0.5 mm，并與無葉頂間隙的工況進行對比。
分歧葉頂間隙對于透平效力的包養網單次影響如圖17所示，當葉頂間隙從0增包養俱樂部添到0.5 mm，葉頂間隙與葉輪葉高的比值從0%增添到20.4%，CO2向心包養透平的效力由88.04%下降到79.89%，該向心透平效力隨著葉頂間隙的增添而線性遞減。葉頂間隙每增添1%，透平效力相對下降0.40%。
分歧葉頂間隙下，垂直于葉片的截面流線分布如圖18所示。隨著葉頂間隙的增添，壓力面與吸力面之間的泄漏量增添且壓力梯度逐漸縮小。此外吸力面的泄漏渦面積逐漸增添，在葉頂間隙為0.1 mm時泄漏渦分布不明顯，當葉頂間隙為0.4 mm、0.5 mm時，可以觀察到明顯的泄漏渦分布，且泄漏渦距離吸力面的距離隨著間隙的增添而增添。分歧葉頂間隙下葉輪內的流線分布如圖19所示。隨著葉頂間隙的增添，泄漏流的流速及其所占流道面積均增添，泄漏流對于主流的阻礙感化加倍明顯。主流由于泄漏流而產生偏轉，使得葉輪不克不及很好地引導流動標的目的，是以透平內的損掉增添。
圖18 分歧葉頂間隙下截面的流線分布
圖19 分歧葉頂間隙下葉輪內的流線分布
4 向心透平非定常流動剖析
由于噴嘴和葉輪葉片具有相對運動，透平內流場具有明顯的非定常特徵，進而影響下流葉片的干預和二次流輸運，且非定常計算可捕獲到更為細致的流場結構。Numeca中的非定常剖析方式包養網包含全三維黏性非定常模擬和非線性諧波法(NLH)，此中NLH方式假設非定常流動是由時均流動和若干擾動疊加而成，可以在占用較少計算資源的條件下模擬動靜葉片的非定常流動效應，且噴嘴和葉輪流道內的流動具有周期性，是以可以用諧波函數來迫近。本文分別采用兩種方式對透平進行非定常剖析，并與穩態剖析結果進行對比。
NLH模擬與定常模擬的結果對好比表6所示，考慮非定常效應的影響，透平效力下降0.23%，功率和質量流量略有降落。采用熵產方式可以提醒非定常彼此感化的機理，分歧時刻的熵值分布如圖20所示，噴嘴區域的熵產較低，高熵產區域重要集中在葉輪吸力眼前緣及其流道中后部，噴嘴尾跡流呈現周期性變化。噴嘴尾跡流在葉片前緣被朋分，且由于吸力面與壓力面的流速分歧，尾跡流在剪切感化包養下構成片斷，沿著壓力面和吸力面向下流傳播，從而惹起下流流道的熵值變化。
表6 NLH模擬和定常模擬的對比
圖20 NLH模擬分歧時刻熵值分布
采用全三維黏性非定常模擬時，請求噴嘴和葉輪接壤面的高低游具有雷同的周期性。是以通過葉片數約化或幾何縮放，改變葉片的數量以便在較少葉片通道計算域下直接應用周期性邊界，有助于減少計算量。將噴嘴葉片數由19個調整到21個，動靜葉片數比變為2∶3，此時計算域中包含3個噴嘴流道和2個葉輪流道。為消除噴嘴葉片數量的調整對計算結果的影響，應用NLH方式對改變葉片數的透平進行計算，全三維黏性非定常模擬、NLH模擬與定常模擬結果如表7所示。NLH方式模擬的效力較定常值降落了0.14%，與不調整噴嘴葉片數量時的結果相接近。全三維黏性非定常模擬的效力較定常值降落了0.57%，其技術結果較NLH方式更準確，可見相較于噴嘴葉片數量的變化，非定常流動對于透平機能的影響較年夜。分歧時刻透平內熵值分布如圖21所示。其熵值分布與NLH方式獲得的結果類似，噴嘴尾跡流形成葉輪內的非包養app定常流動，其在葉輪前緣分離成片斷并沿著流道向下流傳播，總體呈周期性變化。對比兩種非定常剖析的計算結果與流場分布，全三維黏性非定常模擬的計算結果更準確，但NLH方式也可以捕獲到噴嘴的尾跡流，可用于粗略剖析動靜葉片的非定常干預效應。
表7 全三維黏性非定常模擬、NLH模擬和定常模擬的對比
圖21 全三維黏性非定常模擬分歧時刻的熵值分布
5 結論及瞻望
本文通過對某百千瓦級二氧化碳儲能系統向心透平進行設計和多流場剖析，探討了葉輪葉片數、葉輪進吵嘴、葉輪出吵嘴、葉頂間隙等結構參數對于透平流動特徵的影響，進一個步驟剖析了非定常流動下透平內的包養流場分布，重要結論如下：
（1）模擬結果與一維包養網設計結果的最年夜誤差為4.15%，表白該設計方式較為公道。在設計工況下，該CO2透平的等熵效力為82.90%，輸出功率為84.28 kW，質量流量為1.563 kg/s，均滿足設計請求。透平內的流線分布較連續，無明顯的速率突變。在偏離進口壓力
20%的范圍內，透平的等熵效力高于82%，表白該透平的變工況機能較好。
（2）葉輪葉片數、葉輪進吵嘴、葉輪出吵嘴會影響透平的機能。隨著葉輪葉片數的增添，流道尾緣的低馬赫數區域逐漸縮小，可是當葉輪葉片數過多時，流道前緣的低馬赫數區域增添。對于該透平，14～16個葉輪葉片數比較合適。葉輪進吵嘴通過影響流道損掉來影響透平的效力，隨著葉輪進吵嘴的變化，葉輪吸力面的流道損掉先減小后增年夜。葉輪出吵嘴會影響葉輪吸力面和出口處的渦量分布，包養且吸力面處的渦重要集中在葉頂處，葉輪出口處的渦重要集中在葉根和葉中處。
（3）優化后葉輪進吵嘴為-10°，葉輪出吵嘴為-73°。優化葉輪角后，該CO2向心透平在設計點的等熵效力為83.65%，較初始設計進步了0.75%。改變透平進口壓力，除高膨脹比工況外，該CO2向心透平的機能獲得晉陞。葉頂間隙的增添導致壓力面與吸力面的泄漏量增添包養，泄漏渦的面積亦隨之增添。透平效力隨著葉頂間隙的增添而線性遞減，葉頂間隙每增添1%，透平效力相對下降0.40%。
（4）在非定常流動剖析下，噴嘴尾跡流呈現周期性變化，在剪切感化下，沿著壓力面和吸力面向下流傳播，惹起下流流道內熵值的變化。采用全三維黏性非定常模擬時，等熵效力較定常時降落了0.57%。非定常流動對于透平效力的影響較年夜，采用NLH方式時，透平效力較定常時下降0.23%。NLH方式也可捕獲到動靜葉片的干預效應，是以可用于粗略剖析非定常流動的影響。
本研討對二氧化碳儲能系統中向心透平進行了優化設計開發，但是實際運行過程中的透平損掉變化也是評價透平機能的主要環節，這部門任務將到底這個夢是真是假，把她當作知識競賽節目的墊腳石？在后續展開。此外，系統規模縮小后對透平亦提出新請求，年夜流量、多段多級、補氣調節等也是主要的研討內容。
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