CAES向心涡轮叶顶间隙多元流动控制及系统耦合调节研究

Radial turbine is a key work output device in compressed air energy storage (CAES) system. Reducing flow loss in tip clearance has great influence on the efficiency improvement of radial turbine even CAES system. In the present project, radial turbine in a MW level compressed air energy storage system is selected as a research object. A new flow control structure, which is aimed at the “scraping flow- tip leakage flow” in blade tip clearance, is proposed based on the coupling of “case jet” and “non-smooth surface structure”. A three dimensional CFD model of radial turbine with multi-coupling flow control structure, a new analysis platform based on system thermodynamics analysis and radial turbine’s design theory is proposed. Multi-objective genetic algorithm and experimental measurement are also adopted. The influence mechanism of multi-coupling flow control on the tip clearance loss of radial turbine is revealed. Optimal coupling mode for “case jet” and “non-smooth surface structure” is proposed, and he variation of optimal multi-factor coupling flow control parameters with operation condition is identified. Based on the multi-factor coupling flow control, a new radial turbine design method and high efficient regulation strategy of CAES system are also proposed. The present project extents the application of flow control theory into thermodynamic system, promotes the development of multi-coupling flow control theory, provides new design method of new efficient radial turbine, and finally promotes the utilization of renewable energy.

向心涡轮是压缩空气储能（CAES）系统核心做功部件，减少叶顶间隙流动损失对提高向心涡轮乃至CAES系统效率具有重要意义。本课题以MW级CAES系统向心涡轮为研究对象，针对叶顶间隙特殊的“刮削流-泄漏流”多元流场损失特征，提出减阻非光滑表面结构与入射控制气流耦合的多元流动控制方法。通过向心涡轮的三维多元流动控制计算流体动力学（CFD）模型、“系统热力学-向心涡轮设计”耦合分析平台，采用多目标遗传优化算法以及实验测量，揭示多元耦合流动控制对叶顶间隙流动损失影响机理，获得“减阻非光滑表面结构—机匣射流控制气”多元耦合机理及模式，明确多元流动控制最优参数随CAES系统工况点变化规律，发展并提出基于多元流动控制的新型向心涡轮设计方法和CAES系统高效运行调节策略。本课题拓展了流动控制理论在热力学系统工程中的应用，推动了多元耦合流动控制理论发展，为新型高效向心涡轮设计提供新思路，促进可再生能源利用的发展。

向心涡轮是压缩空气储能（CAES）系统核心做功部件，减少叶顶间隙流动损失对提高向心涡轮以及CAES系统的运行效率具有重要意义。本课题以MW级CAES系统向心涡轮为研究对象，针对叶顶间隙特殊的“刮削流-泄漏流”多元流场损失特征，提出了基于机匣非光滑表面结构、三维叶片造型等相互耦合的多元流动控制方法，依次研究了多元控制参数对向心叶轮叶顶间隙泄漏流控制机理；高效率向心涡轮多元流动控制参数耦合模式；集成多元流动控制的新型压缩空气储能向心涡轮优化设计；基于向心涡轮流动控制的储能系统高效宽工况运行策略。提出了向心涡轮三维多元流动控制计算流体动力学（CFD）模型、构建了基于响应面模型和遗传优化算法的向心涡轮多元耦合流动控制参数优化设计平台，揭示了叶顶间隙形态、机匣减阻沟槽、机匣射流、基于NACA型线的叶片几何结构等流动控制结构对叶顶间隙泄漏流损失影响机理，提出了“机匣非光滑沟槽结构—NACA型线叶片”耦合流动控制结构并揭示了其损失控制机理及最优参数组合，使向心涡轮设计点效率可提高0.9%左右。研究了基于多元流动控制的CAES向心涡轮低负荷条件下变频高效运行调节策略，分析表明该方法使低负荷工况下的向心涡轮效率提高5%以上。本课题拓展了流动控制理论在热力学系统工程中的应用，推动了多元耦合流动控制理论发展，为新型高效向心涡轮设计提供新思路，促进可再生能源的利用发展，推动了“碳达峰、碳中和“目标的实现。