壓縮機作為壓縮空氣儲能系統的關鍵部件之一，其性能對系統整體熱力性能、經濟性有著重要影響。離心壓縮機具有效率高、調節(jié)性能好和結構緊湊等優(yōu)點，可以滿足壓縮空氣儲能系統對高效變工況壓縮過程的需求。擴壓器是離心壓縮機中的重要部件，起著降速增壓的作用，其效率往往決定著壓縮級的性能優(yōu)劣。與常規(guī)葉片擴壓器相比，低稠度葉片擴壓器具有較寬的穩(wěn)定工況范圍，但葉片較少，不存在幾何喉口，效率相對較低;與無葉擴壓器相比，低稠度葉片擴壓器內部流動損失小，效率較高。鑒于低稠度葉片擴壓器的以上優(yōu)點，為進一步提高離心壓縮機性能，儲能研發(fā)中心研究人員圍繞離心葉輪和低稠度葉片擴壓器匹配設計展開了相關研究，并取得階段性進展。

研究人員以當量擴張角為判斷依據，提出了一種低稠度葉片擴壓器設計方法(圖1)。如圖所示，通過給定葉輪出口參數(半徑r2、葉高b2和絕對馬赫Ma2)和擴壓器進口參數(葉片安裝角α3b、葉高b3和葉片數Z3)，確定當量擴張角θls和稠度σ，隨后迭代求得擴壓器進出口半徑r3和r4、出口葉高b4和出口葉片安裝角α4b。在獲得低稠度葉片擴壓器幾何參數后，進行性能計算，若滿足需求，則對葉片進行三維造型及三維流場數值模擬，并對結果進行分析。若不滿足需求，則重新選取擴壓器進口幾何參數。

同時，結合離心葉輪兩區(qū)域模型求解過程，研究人員提出了一種低稠度葉片擴壓器性能計算方法(圖2)。如圖所示，在低稠度葉片擴壓器中，流體總溫保持不變，且擴壓器內部只存在總壓損失，壓力能轉變?yōu)閮饶?，?hdi=cp(T4-T4s)。無葉擴壓器出口關鍵氣動參數如總溫T03、靜溫T3、總壓P03、靜壓P3和流動角α3，通過對葉輪進行數值計算獲得。之后輸入二次流質量比χ4和二次流偏離角δs4(假如主流出口處無滑移，即δp4=0)，對主流、二次流區(qū)域分別計算，結合LSVD內部流動特性，得到混合狀態(tài)氣動參數，詳細計算流程如圖2所示。

計算結果如圖3所示，可以看出，在設計轉速下，總壓損失系數基本在0.1以下，且在設計點附近存在最小值，說明流動分離較小;靜壓恢復系數基本在0.45以上，與壓縮機級靜壓比變化趨勢一致，隨著流量的增加而減小，在喘振工況處同樣有所減小。此外，低稠度葉片擴壓器出口存在射流尾跡結構(圖4)，與實際情況相符，說明基于兩區(qū)域模型所建立的性能計算方法可以作為一維預設計的工具，實現低稠度葉片擴壓器性能計算。


圖1 低稠度葉片擴壓器設計方法


圖2 低稠度葉片擴壓器性能計算方法


圖3 擴壓器性能




圖4 擴壓器通道三維流線分布