中國儲能網(wǎng)訊：隨著新能源的發(fā)展，我國的能源結(jié)構(gòu)正發(fā)生著日新月異的變化，諸如風(fēng)能、太陽能等可再生能源占據(jù)了越來越多的能源供應(yīng)份額，也給電網(wǎng)系統(tǒng)帶來了很多不穩(wěn)定因素。因此燃氣輪機和聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的削峰填谷作用日益顯著，而其在最佳效率工況運行的時間也將隨之大大縮短。這就對燃氣輪機工業(yè)提出了更高的要求和挑戰(zhàn)——要求燃氣輪機能夠在除滿負載外的其他運行工況下仍然高效、穩(wěn)定和安全地運行。對于壓氣機領(lǐng)域工程師和研究者來說，意味著需要提高壓氣機不同轉(zhuǎn)速下的穩(wěn)定裕度和工作效率。
壓氣機中的流動不穩(wěn)定性、旋轉(zhuǎn)失速和喘振是葉輪機械氣動熱力學(xué)中最復(fù)雜的問題之一，它制約了軸流壓氣機的工作范圍。早在1987年，實驗就發(fā)現(xiàn)失速先兆起始于葉頂區(qū)域，葉頂泄漏流不僅影響壓氣機的效率，對壓氣機的穩(wěn)定性裕度也有很大的負面影響。而高壓級壓氣機葉片很短，葉頂間隙相對于葉高的相對值更大，因而葉頂泄漏流的影響也更為突出；但另一方面高壓級葉片尺寸小、轉(zhuǎn)速快，內(nèi)部流動的流場細節(jié)往往難以捕捉。解決這一問題的途徑有二：一是提高探針的響應(yīng)頻率并減小尺寸，二是采用低速反演高速的壓氣機?；O(shè)計方法，用一臺低速大尺寸壓氣機模擬高速目標壓氣機的流場特征。
近期，中國科學(xué)院工程熱物理研究所能源動力中心的研究團隊在上述兩方面均獲得了可喜的進展。在測量手段方面，研究所相關(guān)研究團隊成功研制了一種高頻響高空間分辨率的動態(tài)總壓探針，采用了基爾探頭和半無限引壓管的結(jié)構(gòu)，探頭直徑僅2mm，而響應(yīng)頻率可以達到10kHZ，在保證足夠的空間分辨率的前提下，同時獲得了很高的時間分辨率。在葉片設(shè)計方面，研究團隊首先根據(jù)Chen葉頂泄漏流模型，分析得到泄漏流相似的相似準則，進而依據(jù)準則通過反問題設(shè)計和三維積疊得到了與高速原型葉片泄漏流相似的低速大尺寸葉片。最后經(jīng)過三維數(shù)值模擬，從特性線、泄漏流軌跡以及泄漏流與主流交界面三個層面（見下圖），驗證了低速模型葉片與高速原型葉片的相似性，達到了設(shè)計要求。與此同時，相應(yīng)的低速大尺寸壓氣機實驗臺也已經(jīng)完成搭建和調(diào)試工作，目前正在開展旋轉(zhuǎn)失速機理方面的研究。
上述成果得到了自然科學(xué)基金項目（No.51206164）的支持，相關(guān)文章已發(fā)表在Journal of Thermal Science 等雜志上。
工程熱物理所壓氣機失穩(wěn)機理研究取得新進展
