泵压式压缩空气储能系统中混流泵T形叶尖实现的能效提升

《Journal of Energy Storage》：Energy improvement by T shape tip of a mixed flow pump in pumped compressed air energy storage system

　　混流泵是压缩空气抽水蓄能系统中的关键能量转换部件，然而其性能会因顶隙泄漏流引起的能量耗散而显著下降。为降低这些损失，提出了一种基于可控径向加厚的新型T型顶隙设计方法。通过高精度水力试验结合非定常应力混合涡模拟，对能量改进和流动控制机制进行了严格评估。宏观结果表明，T型顶隙使泵的最大效率提高了1.81%，在宽工况范围内实现了平均效率提升1.87%。微观上，修改后的几何结构从根本上增加了顶隙内的流动阻力，使平均泄漏速度降低了3.65%。这种节流效应显著抑制了顶隙泄漏涡（TLV）并削弱了剪切层混合，在最优效率点处使TLV面积减少了40.05%，湍流涡耗散降低了11.56%。此外，改变后的涡-叶片相互作用延迟了TLV向下游的撞击。这些发现表明，所提出的T型顶隙是一种高效的被动流动控制策略，为提高大规模储能系统的能量回收和往返效率提供了一种实用的工程方案。**章节摘要****缩略语**| 缩略语 | 全称 ||--------|------|| BEP | 最优效率点 || CFD | 计算流体力学 || PCAES | 压缩空气抽水蓄能系统 || PHES | 抽水蓄能 || SBES | 应力混合涡模拟 || SST | 剪切应力传输 || TED | 湍流涡耗散 || TKE | 湍流动能 || TLV | 顶隙泄漏涡 |**拉丁符号**| 符号 | 含义 ||------|------|| *c* | 归一化轴向/弦向位置 || *E* | 相对不确定度 || *f* | 达西摩擦系数 || *f* (*r*_*i*, *c*) | 加厚模式 || *g* | 重力加速度 (m/s2) || *H* | 泵扬程 (m) || *h*_*p*, *h*_*s* | 基准叶片的压力面宽度和吸力面宽度 (m) || *k*_*i* | 入口 |**混流泵物理模型**图2展示了本研究所用的混流泵和基准叶轮。其比转速为484，入口直径为150 mm，出口直径为180 mm，设计流量 *Q*_d 为34.5 kg/s，设计扬程 *H*_d 为2.57 m，设计转速 *n*_d 为1450 rpm，顶隙值为0.8 mm。关于该泵性能的更多细节，包括其能量特性和汽蚀特性，已在我们的前作[48]中提供。**T型顶隙设计方法**为抑制顶隙泄漏涡，提出了一种T型的设计方法。**试验系统**图6展示了用于测量基准泵和T型泵能量性能的水利机械综合立式试验台架。它包括压力调节系统、水力循环系统、试验泵段和测量系统。压力调节系统由一个水压稳压罐、两个气压稳压罐、一台真空泵和一台压缩机组成，可将入口压力控制在8000 Pa至110,000 Pa的范围内。**能量改进**为了评估T型顶隙对泵在多种流量条件下能量性能改进的效果，在8.0 kg/s至42.0 kg/s的范围内均匀选取了42个流量点进行试验测试。图10展示了基准泵和T型泵的能量性能曲线，其中拟合线数据来自试验，离散数据来自SBES的时间平均值，两者吻合良好。对于泵扬程，在流量从8.0 kg/s到……**结论**本研究提出了一种可控径向加厚T型顶隙设计方法，并将其应用于改进具有顶隙的混流泵的能量性能。基于对基准泵和T型泵的试验研究和机理分析，得出以下结论：(1) 提出了一种可控径向加厚T型顶隙设计方法。该方法基于归一化半径和轴向位置定义修改区域，然后施加……**CRediT作者贡献声明****韩冰夫：** 撰写—审稿与编辑，撰写—初稿，验证，软件，方法论，调查研究。**谭磊：** 撰写—审稿与编辑，撰写—初稿，验证，监督，方法论，调查研究，基金获取。**利益冲突声明**作者声明不存在任何可能影响本文所述工作的已知经济利益冲突或个人关系。**致谢**本工作得到了**智能电网-国家科技重大专项**[2025ZD0805700]的支持。韩冰夫 | 谭磊清华大学能源与动力工程系，水利水电工程国家重点实验室，中国北京，100084