壓縮空氣儲能系統中高溫葉輪瞬態熱-固耦合分析

劉小明

（沈陽鼓風機集團股份有限公司，遼寧沈陽 110869）

1 概述

隨著我國能源產業的結構優化，各類儲能系統蓬勃發展，其中壓縮空氣儲能作為一項新興產業，受到了多方關注。

絕熱式壓縮空氣儲能在壓縮過程中對壓縮熱進行回收儲存，在膨脹發電階段作為熱源對氣體進行補熱，整體熱效率較高，運行過程中無需外加熱源，是目前的主流研究方向。但對壓縮熱回收的高溫度需求，對壓縮機的開發提出了不同于常用空氣壓縮機的特殊使用條件，使設備的制造難度大幅度增加。

離心式壓縮機通過旋轉葉輪旋轉為通流氣體做功，提升氣體壓力，同時由于壓縮過程中的效率損失提升了氣體溫度，常規壓縮過程為了保證整機在接近等溫壓縮下運行，采用逐級冷卻模式運行。絕熱式空氣儲能系統的特殊要求，使其空氣壓縮機的設計與常規空氣壓縮機存在差異，不再追求等溫壓縮的高壓縮效率，而是采用逐級升溫壓縮模式。壓縮機的部分葉輪在高溫工況下運行，由于葉輪的工作溫度是逐次上升的，最高運行溫度可達到接近400℃。同時由于儲能電站采用儲能-釋能的循環運行模式，壓縮機處于頻繁的啟停之中，壓縮機葉輪在高溫運行與低溫待機兩個狀態間循環交替。

葉輪工作在高速旋轉的離心力以及運行溫度波動合力之下，在溫度變化時，葉輪內外表面的溫度會產生循環應力和循環應變，有可能最終導致龜裂破壞的現象。這些復雜的載荷、苛刻的環境對設備材料的疲勞性造成很大影響，對材料的高溫性能提出了很大的挑戰。在設備使用周期內，能否安全運行，及對其使用壽命的準確預測，直接關系到生產及人身安全。因此需要深入研究葉輪在高溫循環載荷下的強度和疲勞安全性。

本文以某儲能壓縮機項目中一個高溫運行葉輪為樣本，利用ANSYS Workbench軟件對壓縮機葉輪瞬態的熱-固溫度應力進行了耦合分析，研究了啟動運行過程中葉輪由于溫差帶來的熱應力數值計算過程。

2 葉輪載荷分析及加載

本次分析葉輪為一閉式三元葉輪，其設計工作溫度為350℃，環境溫度為22℃。葉輪有限元模型如圖1所示。

圖1 葉輪有限元模型

葉輪在啟動、負載、停止變化等過渡狀態中，隨著傳熱的變化，葉輪在啟停過程中需要考慮溫度差帶來的應力載荷。對于旋轉葉輪的單一流道，可以認為是氣流在流道中流動的強制對流換熱過程，此過程中葉輪工作溫度由環境溫度22℃上升至350℃。根據葉輪的實際對流升溫以及熱應力可能出現的情況，對葉輪的分析載荷施加對流換熱系數和流體溫度兩個參數，以啟動關閉壓縮機為一個循環，經過升溫、保溫及降溫過程，用ANSYS軟件瞬態熱分析模塊對這一過程進行瞬態溫度場計算。

強制換熱的規律可表述為：

式中，Nu為努謝爾數，又稱無因次換熱系數，表征對流換熱的強烈程度；Re為雷諾數，是強制對流的一個重要相似性準則；Pr為普朗特數，為表征熱量傳遞的相似程度；ν為流體在定性溫度下的動力黏度，m2·s；l為特征尺寸長度，本次計算中以沿平板（小曲面）流動進行換熱計算；v為流體在定性溫度下的流速，m/s；h為對流換熱系數，W/m2·K；λ為流體在定性溫度下的導熱系數，W/m2·K。

根據強制對流換熱的傳熱學結論，強制對流換熱Nu的準則方程如下。

（1）當Re＜5×105，此時流體處于層流區，準則方程為Num=0.664Rem0.5Prm1/3。

（2）當5×105＜Re＜107，此時流體處于湍流區，準則方程為Num=0.037（Rem4/5-23500）Pr1/3。在本項目中，特征流道長度l=0.17m，葉輪入口主流氣體流速為55m/s，葉輪出口氣體流速為190m/s，查得空氣在這兩個狀態下的物性參數，根據計算所得的Re，得到兩個點位上的Nu和該點的換熱系數，見表1。根據以上結果，考慮葉輪旋轉流動過程中的換熱損失以及計算的簡便性，對整個流道表面的強制對流換熱系數確定為60W/m2·K。

表1 各點的特征參數匯總

根據葉輪的實際對流升溫以及熱應力可能出現的情況，對葉輪施加對流換熱系數和溫度兩個載荷。啟動-關閉壓縮機為一個循環，葉輪運行時，內部氣體溫度經過升溫-保溫-降溫過程，用ANSYS軟件瞬態熱分析模塊對這一過程進行瞬態溫度場計算，得出葉輪內外溫度曲線（圖2），當運行時間在6000s左右時，葉輪的內外部溫度一致，因此講瞬態溫度場分析結束時間設定為6000s。經瞬態熱分析，得到葉輪各個載荷步的溫度，將該溫度作為葉輪熱固耦合分析的熱載荷，導入到結構分析中，實現載荷的施加，同時施加運行速度。將葉輪工作狀態下離心力、熱應力兩部分載荷均加入計算模型。應用熱-固耦合方法對葉輪進行結構強度計算。

圖2 葉輪的啟動升溫-保溫-降溫過程的溫度曲線

3 葉輪內耦合分析結果

從圖2可以看出，葉輪表面的溫度首先達到最高溫度，而葉輪內部溫度傳遞速度慢，溫度上升滯后。這個差別在同一時刻會產生溫度梯度，對葉輪施加熱應力載荷。在升溫過程中，葉輪的內外溫差先加大后縮小，在6000s左右時內外溫度趨于一致，溫度隨時間的變化規律如圖3所示。

圖3 葉輪溫度隨時間的變化（前6000s）

圖4是在0～6000s的時間歷程中，某一時間下葉輪的溫度場、熱應力場（無轉速載荷）和應力場（施加轉速）的分布云圖。從圖中可以看出葉片各部分瞬時的溫度分布基本相同，在葉片的前緣和尾緣溫度較高，在葉片與軸盤和蓋盤連接位置區域，由于結構的不連續導致該區域應力集中，應力比較大。這些位置的熱對流系數數值較大，溫差隨著時間的推移而逐漸減小。

圖4 某一時間葉輪的溫度場和應力場分布云圖

4 結論

本文基于ANSYS Workbench軟件，選取高溫工況下的一個葉輪，對葉輪分析施加熱應力和離心力載荷，統籌考慮了溫度場與離心力作用的影響，建立了熱-固耦合分析模型，將瞬態分析所得到的的的溫度場分布導入到葉輪的表面進行耦合場分析，得出以下結論：葉輪表面的溫度首先達到最高溫度，內部溫度隨時間緩慢上升，溫度上升滯后，溫升的差別必然產生溫度梯度，對葉輪施加熱應力載荷，在升溫過程中，葉輪表面和內部溫差先加大后縮小，隨著時間的推進，葉片各部分的溫度均不斷上升，溫差也越來越小，熱應力也越小，最后至0；不同瞬時的溫度分布基本相同，即葉片的前緣和尾緣溫度較高，溫差隨著時間的推移而逐漸減小。