压缩空气储能系统膨胀机末级叶片特殊边界处理与失效分析

以压缩空气储能(CAES)系统中膨胀机末级叶片为研究对象,针对末级叶片的离心力工况,提出了一种高效的等效叶冠约束模型,并对比了循环对称约束模型和多叶片模型的仿真结果。同时,还开发了一种能够模拟弹塑性和失效行为的本构程序。结果表明:与其他模型相比,等效叶冠约束模型的仿真结果与全尺寸模型结果最接近,兼具精度和效率优势;所编写的本构子程序可有效模拟17-4ph钢的应力-应变响应曲线;针对所研究的叶片构型,当失效发生在叶片径向约1/4位置处时,失效区域快速扩大。

压缩空气储能系统用多级离心压缩机进口导叶调节策略研究

压缩空气储能系统在储能过程中,储气装置内部压力不断升高,这要求压缩机在较大压比范围内工作。高效变工况是压缩空气储能系统中压缩机的核心要求,为实现这个设计目标需要采取合适的调节方式及其调节策略。可调进口导叶结构简单,可在工作过程中运行,并可利用伺服装置实现自动化,是目前压缩空气储能系统中压缩机最适合的调节方法之一。本文以压缩空气储能系统中某4级离心压缩机为研究对象,建立了一种适用于多级离心压缩机变工况调节的性能预测方法,采用数值模拟得出单级离心压缩机性能曲线,并编写级性能叠加程序获得整机性能曲线。利用最小二乘法将多级离心压缩机性能数据拟合为多项式函数,采用遗传算法建立了以等熵效率为优化目标,进口导叶开度为优化变量,整机出口压力或者流量为约束条件的可调进口导叶调节策略程序。

铁轨重力储能系统效率影响因素研究

储能是建设以新能源为主体的新型电力系统的重要支撑技术,对实现“碳达峰碳中和”目标具有重要意义。铁轨重力储能属于物理储能,具有规模大、成本低、效率高、环境友好以及无自放电等优势,应用前景广阔。本工作基于MATLAB/Simulink搭建了铁轨重力储能系统模型,分析了系统各个部件在储能过程和释能过程中的能量损耗情况,研究了载重车辆质量、车辆速度、斜坡坡度、斜坡高度和滚动摩擦系数等因素对系统效率的影响及其变化规律。研究结果表明,车辆速度、斜坡坡度、斜坡高度和滚动摩擦系数对系统效率的影响十分显著,降低速度和滚动摩擦系数以及适当增加坡度和高度,可有效提高系统效率;在设计工况下,载重车辆160 t、车速20 km/h、斜坡高度200 m、斜坡坡度7°、滚动摩擦系数0.006,对应系统的输出功率为1.04 MW,系统效率达76.20%。

离心式压缩机性能预测方法综述

压缩空气储能被认为是最具发展前景的大规模物理储能技术之一,压缩机作为其关键部件对系统整体性能具有重要影响。离心式压缩机具备大流量、高压比、宽工况的运行特性,在压缩空气储能领域相对其他类型压缩机更具优势。受固定容积储气装置充气特性影响,压缩机常运行于非设计工况,对压缩机性能进行准确预测可提高系统效率,减少研发投入。20世纪50年代起,国内外学者对离心式压缩机性能预测开展了大量研究,建立了多种性能预测方法。本文将性能预测方法分为机理建模类、相似换算类与数据驱动类,在总结各方法基本原理及研究进展的基础上,定性分析了各方法在建模周期、预测精度、可移植性及适用场景等方面的差异,并对性能预测未来发展趋势进行了展望,旨在为离心式压缩机性能预测方法的研究与应用提供指导。

静叶轮毂间隙对高压压气机气动性能的影响

为了考察静叶轮毂间隙对压气机气动性能的影响以及揭示静叶轮毂间隙流动增强压气机稳定性的机理,以某型发动机高压压气机中两级为研究对象,运用三维粘性稳态数值模拟方法重点考察了静叶轮毂间隙附近的流动情况,从能量损失角度进一步分析了不同大小间隙导致压气机性能优劣的原因。研究结果证明,适当大小的间隙可以削弱静叶近轮毂处二次流和旋涡运动,改善当地流动状况,从而减少能量损失,提高压气机性能,特别是能增大喘振裕度。这些积极作用有利于压气机高效、稳定运行。

回热器性能变化对燃气轮机影响的数值仿真

以某回热循环燃气轮机为研究对象,考察回热器总压恢复系数及换热系数变化对燃气轮机整机性能和稳定工作的影响。研究得到以下主要结论:回热器两侧总压恢复系数降低都使燃气轮机输出功率、效率以及压气机喘振裕度降低。冷侧总压恢复系数直接影响到涡轮通流能力,因此会严重影响到压气机喘振裕度。回热器两侧传热系数仅对燃气轮机效率有影响。传热系数降低时燃气轮机效率降低,且冷侧、热侧传热系数对其有同等程度的影响。

竖直圆柱形水箱保温过程热分层现象与机理研究

对竖直圆柱形水箱在保温过程中热分层现象及其形成机理进行了研究。重点考察保温层条件下蓄热水箱温度场和流场的变化。主要针对各外壁面为第三类边界条件、内部流动为层流状态的情况。通过实验和数值计算2种方法进行研究。通过计算结果和实验结果的对比,验证了数值计算方法的有效性。研究结果表明:圆柱形水箱的保温过程可以分为非稳态和准稳态2个阶段。在非稳态阶段,水箱内部的流动和温度变化主要是受到侧壁面和上壁面散热的控制,而保温层温度从内向外逐渐升高,之后保温层温度整体上升。在准稳态过程中,水箱内部可分为下部的热分层区和上部的热流体区。保温层温度分布相对稳定,随时间整体下降。保温层外壁面温度达到最高值可以作为划分非稳态阶段和准稳态阶段的标志。

基于时频分析的裂纹转子碰摩故障特征研究

为研究转子系统耦合故障特性,采用有限元方法建立了含有横向裂纹、转静碰摩的非线性转子动力学模型。首先研究了不同转速下裂纹、碰摩单一故障下转子系统的振动响应,其次研究了两种故障耦合情况下系统的振动响应特征。采用波形图、FFT谱图、瞬时频率和Hilbert-Huang时频谱(HHS)相结合的方法对故障转子振动信号进行了分析。分析结果表明:运用多种时频分析相结合的方法可以较为全面地了解转子的故障特征,裂纹转子在1/5、1/3临界转速时会发生较为明显的5X、3X谐波,且裂纹的产生会导致响应幅值增大,从而引起更为严重的碰摩。

带可调导叶离心压缩机变工况性能预测模型研究

分析了离心压缩机在导叶可调情况下的变工况工作过程,在选取合适的离心压缩机各种经验损失模型的基础上,结合无叶扩压段多变指数损失计算法,利用Matlab编写离心压缩机变导叶调节的变工况性能预测模型。通过迭代计算得到结果,将预测结果与数值模拟结果进行对比。发现压缩机性能在设计点时预测与模拟结果符合较好,偏离设计点越多误差越大,大流量处误差高于小流量范围内的误差。通过分析损失特点,利用流量系数对4种主要损失模型公式进行修正,修正后预测模型与数值模拟符合较好,精确度得到提高,大流量和大开度时误差稍大,但最大误差可控制在5%以内,预测模型能够准确地计算出离心压缩机级在不同导叶开度下的变工况性能。

离心压气机轮盘空腔流场计算与分析

通过对离心压气机与轮盘空腔耦合流场的计算分析,得到了轮盘空腔流动的基本流场结构和动力特性。在不同离心压气机工况和空腔泄漏流模式下,分析了轮盘空腔与离心压气机的耦合关系,给出了轮盘空腔对离心压气机流场细节、推力、功率和效率的影响及各自的变化规律,并说明了其内在机理。

太阳能热水系统蓄热水箱技术的研究进展

蓄热水箱是太阳能热水系统的重要组成部分,蓄热水箱技术对系统的性能具有明显的影响。文章分析了太阳能热水系统蓄热水箱技术的发展,阐述了太阳能热水系统蓄热的主要形式、不同工作阶段的过程和特点以及蓄热水箱的理论和技术的研究进展。

带级间冷却的双级离心压缩机可调进口导叶联合调节分析

本文建立了带级间冷却的双级离心压缩机计算模型,该模型利用多孔介质模拟级间换热器,且压缩机每级前均设有可调导叶进行变工况调节。利用该模型详细分析了双级离心压缩机变导叶联合调节性能,研究发现单级变导叶调节时,两级导叶调节规律相同,正开度改善了失速特性,负开度能够获得更高的压比,正负开度使得效率都有所降低。双级联调时,以一、二级导叶开度都为0°的工况为基准,当第一、二级导叶都为负开度时压比增大,其余开度组合的压比性能都有所降低,任意组合导叶开度的效率性能都低于基准工况。通过内部流动分析可知,合理的双级联调改善了第二级压缩机内部流动的均匀性,两级导叶对双级离心压缩机的整体性能影响效果的强弱基本相同,第一级开度由负到正变化时,第一级叶轮进口叶尖吸力面附近高速流体区域缩小,并在压力面凝聚。

基于遗传算法的离心压缩机蜗壳参数化及多目标优化

排气蜗壳对离心压缩机的整体性能、工作范围有直接且不可忽视的影响。排气蜗壳由于其完全三维的、湍流的内部流动会引起蜗壳进口周向压力畸变,从而影响上游部件的流动稳定性。本工作针对先进压缩空气储能系统离心压缩机排气蜗壳进行多目标优化设计,提出了一种可变截面形状的参数化设计方法。以总压损失系数和静压恢复系数为优化目标变量,采用多个控制面和控制点的方式对离心压缩机蜗壳截面参数进行全周控制,结合最优拉丁超立方试验设计方法和全三维CFD数值方法生成样本空间,利用二代非支配排序遗传算法对Kriging近似模型进行多目标寻优,建立优化平台和优化方法。研究结果表明:优化后的截面形状能够减小通流截面旋涡中心的剪切应力,使排气蜗壳内部通流速度分布更加均匀;优化方案在设计工况下整级等熵效率提高了0.45%,压比提高了0.36%;与初始模型相比,优化后的排气蜗壳可以有效改善离心压缩机的整体性能。本研究有助于推动数值优化设计方法在离心压缩机排气蜗壳中的应用,为高性能、低总压损失离心压缩机的优化设计提供参考。

MUSCL格式在跨声速转子流场计算中应用

以工程应用为背景,采用Spalart-Allmaras湍流模型和LU-SGS隐式解法,开发了基于MUSCL格式的CFD程序,并将程序应用到压气机跨声速转子内部流场的数值模拟中,研究了5种差分格式限制器的计算效果。与Rotor 67和Rotor 37转子试验数据的对比表明:当程序采用VanLeer限制器,且入口湍流粘性取值约为3.6倍的分子粘性时,收敛效果最好,能较准确地模拟出流场的总性能参数和激波结构。

叶轮机械叶片气动设计流程的改进研究

本文讨论了准三维S1、S2流面迭代及全三维流场计算的特点,对叶轮机械气动设计流程中的S1计算部分作了改进:通过定量分析全三维流场计算结果并从中提取若干S1流面上的物理参数,反馈给S2流面计算进行迭代以及修改叶片造型,将多个S1流面的计算与全三维校核融为一体,从而简化了设计流程,并提高设计的准确性。按照改进的流程设计了一级风扇,效果良好,验证了该方法的可行性。

旋转机械现场动平衡方法研究进展

现场动平衡是一种多学科交叉的技术手段,可以有效地解决复杂高速转子的不平衡故障问题,该研究需要同时考虑方法的适用性、稳定性、结构设计及实施方法。针对现场运行过程中旋转机械的不平衡问题,对目前整机动平衡技术的发展状况及其现场应用进行了综述,主要包括:概述了现场动平衡方法的基础和研究现状,从方法原理及现场应用的角度分析了各种方法的优、缺点;根据现场实际案例,对各方法在现场动平衡中的应用现况进行了介绍,对现场动平衡各方法存在的问题,以及其在推广时所面临的困难进行了总结;为解决旋转机械不平衡问题,提出了三维一体的动平衡体系。以上系统性方法可作为今后动平衡方法研究的重要方向。

离心压缩机可调叶片扩压器优化设计与调节分析

大规模压缩空气储能系统在电网削峰填谷、区域能源系统及可再生能源大规模接入等潜在的应用很广,其压缩系统需具备高效、宽工况调节等特点。可调式叶片扩压器结构紧凑,可以使离心压缩机获得更宽的工况范围和更高的运行效率,因此本文以大规模压缩空气储能系统离心压缩机为研究对象,对原有扩压器叶型进行多目标优化,并通过数值方法探究可调叶片扩压器的调节规律,获得调节曲线。结果表明,优化后的三元扭曲叶片能够降低叶轮出口流场不均匀性对扩压器的影响,提高压缩机整级性能;设计转速下,叶片扩压器的调节范围在-8°^+5°之间;采用可调叶片扩压器使压缩机的工作范围提高117%,同时变工况下离心压缩机的性能也有明显改善。

新型地下跨季节复合储热系统热量损失机理研究

可再生能源受天气、地域、季节限制,具有间歇性和不稳定性等属性,从而导致供需不匹配。跨季节储热是解决上述问题的有效方法。然而,传统地下跨季节储热具有储热方式单一、热量损失大等缺点。该文将水箱储热(hot water energystorage,HWES)和地埋管储热(boreholethermal energy storage,BTES)方式相结合,建立跨季节复合储热系统,研究该复合储热系统的储释热温度和储释热量变化规律,揭示系统热量损失机理。结果表明:复合储热模式的储热量和释热量均大于水箱储热模式和地埋管储热模式,其储热量随着运行年限的增长而逐渐降低,释热量则随着运行年限的增长而逐渐增加;对比3种不同储热模式的土壤平均温度,得出地埋管储热模式最高,水箱储热模式最低,复合储热模式居于两者中间;此外,研究发现,复合储热模式的热量损失主要来自上边界,系统运行至第五年上边界的热量损失占比高达42.2%,因此需要对复合储热模式上边界进行有效保温,降低热量损失,提高复合储热系统效率。

新型地下跨季节复合储热系统性能规律

可再生能源受天气、地域、季节限制,具有间歇性和不稳定性属性,从而导致供需不匹配,跨季节储热是解决上述问题的有效方法。然而,传统地下跨季节储热具有储热方式单一、热量损失大等缺点,本文将水箱储热和地埋管储热相结合,组成新型跨季节复合储热系统。建立并通过实验验证了复合储热系统模型,在此基础上,分析了储/释热质量流量、储热体模匹配、地埋管数量和层间距以及土壤热导率等参数对储热体温度、储/释热量、储/释热功率和热量损失等的影响规律。结果表明,随着储/释热质量流量的增加,系统效率也逐渐增加;储热体规模匹配α值增加,系统效率随之上升,但水箱体积占比的提高,会导致热量损失增大,故储热体规模匹配需综合考虑,既要能达到较高的系统效率,获得较大的储/释热功率,又需尽量减少投资成本,同时降低热量损失;提高地埋管数量,有利于增加储/释热量,提升系统效率;地埋管层间距的增大,增加了储热体土壤体积,从而降低了储热温度,不利于释热的进行,导致系统效率降低;土壤热导率的增加,强化了土壤间热量传递,地埋管储热功率增加,储热峰值温度也因此提高,然而热量散失也加快,释热功率显著降低,导致系统效率下降。

小型混流式水泵水轮机损失分析与正交优化设计

为了研究各部件对小型混流式水泵水轮机水泵工况和水轮机工况下水力性能的影响,对一小型水泵水轮机进行不同流量下的全流道数值模拟,针对两工况下总压损失集中的叶轮进行正交设计优化。应用L9(34)正交表,选取4个叶轮关键设计参数,以水泵工况扬程偏离率、效率和水轮机工况效率作为目标,进行4因素3水平的正交设计,并通过全流道数值模拟方法和极差分析方法进行选优。结果表明叶片出口直径对泵和水轮机工况性能影响最大,优化后水泵设计工况效率提高了1.06%,水轮机设计工况效率提高1.62%,其相应最优工况点因包角增加而向小流量工况移动。