壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)中高溫葉輪瞬態(tài)熱-固耦合分析

劉小明

（沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司，遼寧沈陽(yáng) 110869）

1 概述

隨著我國(guó)能源產(chǎn)業(yè)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，各類儲(chǔ)能系統(tǒng)蓬勃發(fā)展，其中壓縮空氣儲(chǔ)能作為一項(xiàng)新興產(chǎn)業(yè)，受到了多方關(guān)注。

絕熱式壓縮空氣儲(chǔ)能在壓縮過(guò)程中對(duì)壓縮熱進(jìn)行回收儲(chǔ)存，在膨脹發(fā)電階段作為熱源對(duì)氣體進(jìn)行補(bǔ)熱，整體熱效率較高，運(yùn)行過(guò)程中無(wú)需外加熱源，是目前的主流研究方向。但對(duì)壓縮熱回收的高溫度需求，對(duì)壓縮機(jī)的開(kāi)發(fā)提出了不同于常用空氣壓縮機(jī)的特殊使用條件，使設(shè)備的制造難度大幅度增加。

離心式壓縮機(jī)通過(guò)旋轉(zhuǎn)葉輪旋轉(zhuǎn)為通流氣體做功，提升氣體壓力，同時(shí)由于壓縮過(guò)程中的效率損失提升了氣體溫度，常規(guī)壓縮過(guò)程為了保證整機(jī)在接近等溫壓縮下運(yùn)行，采用逐級(jí)冷卻模式運(yùn)行。絕熱式空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的特殊要求，使其空氣壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)與常規(guī)空氣壓縮機(jī)存在差異，不再追求等溫壓縮的高壓縮效率，而是采用逐級(jí)升溫壓縮模式。壓縮機(jī)的部分葉輪在高溫工況下運(yùn)行，由于葉輪的工作溫度是逐次上升的，最高運(yùn)行溫度可達(dá)到接近400℃。同時(shí)由于儲(chǔ)能電站采用儲(chǔ)能-釋能的循環(huán)運(yùn)行模式，壓縮機(jī)處于頻繁的啟停之中，壓縮機(jī)葉輪在高溫運(yùn)行與低溫待機(jī)兩個(gè)狀態(tài)間循環(huán)交替。

葉輪工作在高速旋轉(zhuǎn)的離心力以及運(yùn)行溫度波動(dòng)合力之下，在溫度變化時(shí)，葉輪內(nèi)外表面的溫度會(huì)產(chǎn)生循環(huán)應(yīng)力和循環(huán)應(yīng)變，有可能最終導(dǎo)致龜裂破壞的現(xiàn)象。這些復(fù)雜的載荷、苛刻的環(huán)境對(duì)設(shè)備材料的疲勞性造成很大影響，對(duì)材料的高溫性能提出了很大的挑戰(zhàn)。在設(shè)備使用周期內(nèi)，能否安全運(yùn)行，及對(duì)其使用壽命的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，直接關(guān)系到生產(chǎn)及人身安全。因此需要深入研究葉輪在高溫循環(huán)載荷下的強(qiáng)度和疲勞安全性。

本文以某儲(chǔ)能壓縮機(jī)項(xiàng)目中一個(gè)高溫運(yùn)行葉輪為樣本，利用ANSYS Workbench軟件對(duì)壓縮機(jī)葉輪瞬態(tài)的熱-固溫度應(yīng)力進(jìn)行了耦合分析，研究了啟動(dòng)運(yùn)行過(guò)程中葉輪由于溫差帶來(lái)的熱應(yīng)力數(shù)值計(jì)算過(guò)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(shè)計(jì)工作溫度為350℃，環(huán)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(dòng)、負(fù)載、停止變化等過(guò)渡狀態(tài)中，隨著傳熱的變化，葉輪在啟停過(guò)程中需要考慮溫度差帶來(lái)的應(yīng)力載荷。對(duì)于旋轉(zhuǎn)葉輪的單一流道，可以認(rèn)為是氣流在流道中流動(dòng)的強(qiáng)制對(duì)流換熱過(guò)程，此過(guò)程中葉輪工作溫度由環(huán)境溫度22℃上升至350℃。根據(jù)葉輪的實(shí)際對(duì)流升溫以及熱應(yīng)力可能出現(xiàn)的情況，對(duì)葉輪的分析載荷施加對(duì)流換熱系數(shù)和流體溫度兩個(gè)參數(shù)，以啟動(dòng)關(guān)閉壓縮機(jī)為一個(gè)循環(huán)，經(jīng)過(guò)升溫、保溫及降溫過(guò)程，用ANSYS軟件瞬態(tài)熱分析模塊對(duì)這一過(guò)程進(jìn)行瞬態(tài)溫度場(chǎng)計(jì)算。

強(qiáng)制換熱的規(guī)律可表述為：

式中，Nu為努謝爾數(shù)，又稱無(wú)因次換熱系數(shù)，表征對(duì)流換熱的強(qiáng)烈程度；Re為雷諾數(shù)，是強(qiáng)制對(duì)流的一個(gè)重要相似性準(zhǔn)則；Pr為普朗特?cái)?shù)，為表征熱量傳遞的相似程度；ν為流體在定性溫度下的動(dòng)力黏度，m2·s；l為特征尺寸長(zhǎng)度，本次計(jì)算中以沿平板（小曲面）流動(dòng)進(jìn)行換熱計(jì)算；v為流體在定性溫度下的流速，m/s；h為對(duì)流換熱系數(shù)，W/m2·K；λ為流體在定性溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)，W/m2·K。

根據(jù)強(qiáng)制對(duì)流換熱的傳熱學(xué)結(jié)論，強(qiáng)制對(duì)流換熱Nu的準(zhǔn)則方程如下。

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

（2）當(dāng)5×105＜Re＜107，此時(shí)流體處于湍流區(qū)，準(zhǔn)則方程為Num=0.037（Rem4/5-23500）Pr1/3。在本項(xiàng)目中，特征流道長(zhǎng)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(gè)狀態(tài)下的物性參數(shù)，根據(jù)計(jì)算所得的Re，得到兩個(gè)點(diǎn)位上的Nu和該點(diǎn)的換熱系數(shù)，見(jiàn)表1。根據(jù)以上結(jié)果，考慮葉輪旋轉(zhuǎn)流動(dòng)過(guò)程中的換熱損失以及計(jì)算的簡(jiǎn)便性，對(duì)整個(gè)流道表面的強(qiáng)制對(duì)流換熱系數(shù)確定為60W/m2·K。

表1 各點(diǎn)的特征參數(shù)匯總

根據(jù)葉輪的實(shí)際對(duì)流升溫以及熱應(yīng)力可能出現(xiàn)的情況，對(duì)葉輪施加對(duì)流換熱系數(shù)和溫度兩個(gè)載荷。啟動(dòng)-關(guān)閉壓縮機(jī)為一個(gè)循環(huán)，葉輪運(yùn)行時(shí)，內(nèi)部氣體溫度經(jīng)過(guò)升溫-保溫-降溫過(guò)程，用ANSYS軟件瞬態(tài)熱分析模塊對(duì)這一過(guò)程進(jìn)行瞬態(tài)溫度場(chǎng)計(jì)算，得出葉輪內(nèi)外溫度曲線（圖2），當(dāng)運(yùn)行時(shí)間在6000s左右時(shí)，葉輪的內(nèi)外部溫度一致，因此講瞬態(tài)溫度場(chǎng)分析結(jié)束時(shí)間設(shè)定為6000s。經(jīng)瞬態(tài)熱分析，得到葉輪各個(gè)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(dǎo)入到結(jié)構(gòu)分析中，實(shí)現(xiàn)載荷的施加，同時(shí)施加運(yùn)行速度。將葉輪工作狀態(tài)下離心力、熱應(yīng)力兩部分載荷均加入計(jì)算模型。應(yīng)用熱-固耦合方法對(duì)葉輪進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算。

圖2 葉輪的啟動(dòng)升溫-保溫-降溫過(guò)程的溫度曲線

3 葉輪內(nèi)耦合分析結(jié)果

從圖2可以看出，葉輪表面的溫度首先達(dá)到最高溫度，而葉輪內(nèi)部溫度傳遞速度慢，溫度上升滯后。這個(gè)差別在同一時(shí)刻會(huì)產(chǎn)生溫度梯度，對(duì)葉輪施加熱應(yīng)力載荷。在升溫過(guò)程中，葉輪的內(nèi)外溫差先加大后縮小，在6000s左右時(shí)內(nèi)外溫度趨于一致，溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖3所示。

圖3 葉輪溫度隨時(shí)間的變化（前6000s）

圖4是在0～6000s的時(shí)間歷程中，某一時(shí)間下葉輪的溫度場(chǎng)、熱應(yīng)力場(chǎng)（無(wú)轉(zhuǎn)速載荷）和應(yīng)力場(chǎng)（施加轉(zhuǎn)速）的分布云圖。從圖中可以看出葉片各部分瞬時(shí)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(pán)和蓋盤(pán)連接位置區(qū)域，由于結(jié)構(gòu)的不連續(xù)導(dǎo)致該區(qū)域應(yīng)力集中，應(yīng)力比較大。這些位置的熱對(duì)流系數(shù)數(shù)值較大，溫差隨著時(shí)間的推移而逐漸減小。

圖4 某一時(shí)間葉輪的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分布云圖

4 結(jié)論

本文基于ANSYS Workbench軟件，選取高溫工況下的一個(gè)葉輪，對(duì)葉輪分析施加熱應(yīng)力和離心力載荷，統(tǒng)籌考慮了溫度場(chǎng)與離心力作用的影響，建立了熱-固耦合分析模型，將瞬態(tài)分析所得到的的的溫度場(chǎng)分布導(dǎo)入到葉輪的表面進(jìn)行耦合場(chǎng)分析，得出以下結(jié)論：葉輪表面的溫度首先達(dá)到最高溫度，內(nèi)部溫度隨時(shí)間緩慢上升，溫度上升滯后，溫升的差別必然產(chǎn)生溫度梯度，對(duì)葉輪施加熱應(yīng)力載荷，在升溫過(guò)程中，葉輪表面和內(nèi)部溫差先加大后縮小，隨著時(shí)間的推進(jìn)，葉片各部分的溫度均不斷上升，溫差也越來(lái)越小，熱應(yīng)力也越小，最后至0；不同瞬時(shí)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(shí)間的推移而逐漸減小。