[发明专利]降低压缩空气储能涡轮集气室壁面摩擦损失的方法及结构

说明书

本发明公开了一种降低压缩空气储能涡轮集气室壁面摩擦损失的方法及结构，通过该方法得到局部低粗糙度壁面的压缩空气储能涡轮集气室，具体为：通过实验测量或数值模拟分析的方式确定集气室具有高流速、高摩擦力分布的壁面区域，之后在这些区域上进行精细化处理，降低粗糙度，以减少该区域的壁面摩擦损失。其余几何曲面复杂、并且干涉严重、不易加工的壁面粗糙度则根据实际加工条件和成本需要确定；集气室结构可为螺旋线蜗壳、轴对称空腔、环形空腔等。上述方案可用于航空航天、交通运输、电力等多个领域。本发明能够在有效减少集气室加工难度和成本的同时，使气动壁面摩擦损失明显降低，涡轮气动效率增加，提高涡轮对能量的利用率。

技术领域

本发明属于压缩空气储能技术领域，涉及一种压缩空气储能涡轮集气室，具体地说是一种降低压缩空气储能涡轮集气室壁面摩擦损失的方法及结构，利用该方法形成的压缩空气储能涡轮集气室具有局部低粗糙度壁面。

背景技术

近年来，压缩空气储能系统在电网“削峰填谷”调节、可再生能源利用等方面获得了广泛应用。应用于压缩空气储能系统中的涡轮需要在高膨胀比、大流量工况下高效率运行。与此同时，应用于压缩空气储能系统中的涡轮还应具有占地面积小、加工成本低，加工难度小的特点以满足压缩空气储能系统低成本需求。目前常规压缩空气储能涡轮集气室在加工成本和和加工条件的限制下，其内壁面粗糙度较高，会使工质壁面摩擦损失增加，涡轮效率降低。与此同时，由于集气室结构复杂，对集气室整体内壁面进行低粗糙度处理较为困难，成本也较高，因此需采用合适的技术在低成本和加工难度的条件下，有效控制压缩空气储能涡轮内部的壁面摩擦损失，提高效率。

目前，关于涡轮壁面粗糙度控制方面的研究和技术手段较多，但与本发明应用条件、手段和目标存在明显不同。从应用领域上看，现有技术主要集中在风力机、燃气涡轮等领域。上述设备的运行工况与压缩空气储能涡轮的运行工况差异较大：风力机在大气压环境下运行，设备尺寸大，同时转速较低；燃气涡轮进口温度远高于压缩空气储能涡轮，并且应用于飞行器上的燃气涡轮在高空条件下雷诺数远小于压缩空气储能涡轮。从部件角度上，现有壁面低粗糙度技术主要应用于涡轮导叶和动叶上，在集气室上应用较少。从应用目标上，现有技术主要通过调整叶片表面粗糙度以抑制低雷诺数条件下叶片表面流动分离。综上所述，目前针对压缩空气储能涡轮集气室壁面低粗糙度加工以抑制流动损失的相关研究和技术较少，需要采用合适的控制手段实现压缩空气储能涡轮壁面摩擦损失的有效控制。

因此，为解决涡轮集气室加工精度低、表面加工难度大、成本受限、壁面摩擦损失高的问题，本发明提出了一种降低压缩空气储能涡轮集气室壁面摩擦损失的方法及利用该方法得到的具有局部低粗糙度壁面的压缩空气储能涡轮集气室结构。

发明内容

针对现有压缩空气储能涡轮集气室的上述加工精度低、表面加工难度大、成本受限、壁面摩擦损失高等技术问题，本发明提供了一种降低压缩空气储能涡轮集气室壁面摩擦损失的方法及利用该方法得到的具有局部低粗糙度壁面的压缩空气储能涡轮集气室结构，利用本发明提出的方法形成的压缩空气储能涡轮集气室具有局部低粗糙度壁面，针对涡轮集气室进口区域具有高流速特征、并且容易加工的壁面区域上进行精细化处理，降低粗糙度，以减少该区域的壁面摩擦损失，其余几何曲面复杂、并且干涉严重、不易加工的壁面粗糙度则根据实际加工条件和成本需要确定；涡轮类型涉及轴流式、向心式、混流式等结构，集气室结构可为螺旋线蜗壳、轴对称空腔、环形空腔等，该技术解决了压缩空气储能涡轮集气室壁面粗糙度高，气动摩擦损失大的问题，满足了压缩空气储能涡轮高效运行的需求，进一步提高了压缩空气储能系统能量转化效率，同时具有加工方便、造价低等特点，可用于航空航天、交通运输、电力等多个领域，具有广阔的应用前景。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案如下：

一种降低压缩空气储能涡轮集气室壁面摩擦损失的方法，所述涡轮集气室包括集气室主体、集气室进口管和环形集气室出口，所述集气室主体整体基本呈环形，所述集气室进口管形成在所述集气室主体的径向外周边缘上，所述环形集气室出口形成在所述集气室主体的径向内周边缘上，所述环形集气室出口的环形空间中设置压缩空气储能涡轮，其特征在于：