间隙结构对高负荷向心涡轮内部流动影响机理

The project is based on a new type of air energy storage system proposed by the Institute of Engineering Thermophysics, Chinese Academy of Sciences, which is supercritical air energy storage system using the special nature of compressed air in supercritical state, to solve the major problems of the conventional compressed air energy storage system. The flow mechanism and dynamic characteristics of radial inflow turbine that is the key component of the release energy process of the supercritical air energy storage system will be studied thoroughly in the investigation..The object of this study is a MW-class multistage highly loaded radial inflow turbine. Firstly the S1/S2 direct and inverse Method problem-solving program will be used to design the Passage and blade profile, and then the flow mechanism and aerodynamic characteristics of the impeller with different gap structure will be studied in detail by Numerical Simulation. The import and export flow field of cascades will be measured in detail by micro multipoint 5-hole probe and high-accuracy sensor in MW-class storage turbine test rig; then based on the experimental results, boundary layer separation and reattachment and the flow characteristics investigations will be performed to reveal the mechanism of flow separation and the vortex development in the cascade and obtain the design methods of the multistage highly loaded radial inflow turbine. All of that will promote rapidly the industrial transformation and development of supercritical air energy storage system and the important foundation will be built for the application of large-scale supercritical air energy storage system.

本项目依托中国科学院工程热物理研究所提出的一种新型空气储能系统——超临界空气储能系统，该系统利用超临界状态下压缩空气的特殊性质，解决常规压缩空气储能系统面临的主要问题，而开展的该储能系统的释能过程关键部件——向心空气涡轮内部流动机理及特性研究。.本研究的对象为MW级多级高负荷向心涡轮，使用S1/S2正反问题求解程序和商业CFD软件开展流道和叶型优化，然后对不同间隙结构下叶栅内部流动机理、气动特性开展详细的数值模拟，同时利用MW级储能向心涡轮实验台，采用微型多点5孔探针和高精度传感器对叶栅进出口流场进行详细测量和实验验证；并通过附面层分离和再附及其流动特征分析，揭示闭式/半开式叶轮间隙涡与主流涡的相互作用机理，系统掌握多级高负荷向心涡轮设计方法，建立高负荷向心涡轮设计方法，由此推动超临界空气储能系统的产业转化与发展，并为大规模超临界空气储能系统的应用奠定重要基础。

本项目依托中国科学院工程热物理研究所提出的一种新型空气储能系统——超临界空气储能系统，该系统利用超临界状态下压缩空气的特殊性质，解决常规压缩空气储能系统面临的主要问题，而开展的该储能系统的释能过程关键部件——MW级向心空气涡轮内部流动机理及特性研究。主要研究内容及成果包括：.(1)闭式高负荷向心涡轮叶栅内附面层迁移特征及其旋涡模型，完成了MW级超临界压缩空气涡轮气动性能测量实验；建立了闭式和半开式高负荷向心涡轮CFD数值求解模型，准确性验证完成；揭示了闭式叶轮叶栅内流场结构及损失机理；提出了闭式高负荷向心涡轮叶栅旋涡模型。.(2)半开式高负荷向心涡轮不同叶顶间隙对高负荷涡轮叶栅内通道涡发展的影响，揭示了半开式叶轮叶栅内流场结构及损失机理；揭示了叶顶间隙内流场结构和损失机理；揭示了不同叶顶间隙下，间隙涡与通道主流的相互作用机理；提出了半开式高负荷向心涡轮叶栅的旋涡模型。.(3)超高压工况下高负荷向心涡轮叶栅附面层迁移特征及流动损失机理，揭示了超高压工况对高负荷向心涡轮叶栅二次流及流动损失的影响机理；分析了超高压工况向心涡轮在不同篦齿间隙下的气动性能、叶栅内部、以及机匣与轮盖间隙的附面层流场结构和损失特征。.(4) 完善S1/S2正反问题求解程序，建立系统的高负荷向心涡轮叶型设计体系，基于真实超临界空气物性，发展了耦合载荷系数、流量系数、比转速和速比的多目标耦合向心涡轮设计求解程序；建立了流-固-热多物理场耦合优化设计平台，并完成优化设计；实现了对半开式低展弦比向心涡轮叶顶型线的优化设计。.项目通过以上研究成果，系统掌握多级高负荷向心涡轮设计方法，由此推动超临界空气储能系统的产业转化与发展，为大规模超临界空气储能系统的应用奠定重要基础，并为类似向心涡轮的各类工业应用提供借鉴和指导。