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提出了一种新型多叶片滚动活塞膨胀器（MVE-RP），用于微压缩空气储能系统，通过3D动态网格模拟方法研究其性能参数、流场特性及泄漏流规律，结果表明在1500rpm时最大指示功率达12.64kW，等熵效率峰值68.17%，泄漏方向随转角周期性反转，径向泄漏损失占主导。
田海飞|张华良|尹钊|张新静|刘宇|徐玉杰|陈海生
中国科学院工程热物理研究所，北京，100190，中国
摘要
容积式膨胀机已成为微压缩空气储能系统的理想组件。本文提出了一种新型的多叶片膨胀机，其特点是叶片安装在定子上，而非滚动活塞上。叶片尖端与滚动活塞接触。采用基于移动网格的3D数值模拟方法研究了膨胀机的进气流量和指示功率等参数随旋转角度的变化情况。获得了不同旋转速度下膨胀机的指示功率、进气流量、绝热效率和容积效率。选取了一个特定的腔室来研究内部压力和温度等参数随旋转角度的变化规律。最后，分析了内部流场特性和间隙泄漏流量随旋转角度的变化。结果表明，膨胀机的瞬态性能参数、腔室内流场的演变以及叶片尖端泄漏流量均表现出周期性波动。泄漏方向随着旋转角度的变化而改变。由于径向泄漏造成的质量和能量损失远大于叶片尖端和径向间隙引起的损失。高速射流发生在进气阶段腔室及叶片尖端和径向间隙附近。膨胀机的最大指示功率达到12.64千瓦，等熵效率在1500转/分钟时达到68.17%。
引言
压缩空气储能（CAES）作为一种极具前景的储能技术，以其长寿命、低成本和优异的可靠性而著称[1]、[2]。大规模CAES系统的容量范围从100兆瓦到300兆瓦不等，广泛应用于可再生能源发电和电力调峰等领域[3]、[4]、[5]。与此同时，功率输出在几十千瓦以下的微型CAES系统也引起了学术界和工业界的关注。这些系统的优势包括自放电小、运行寿命长、维护要求低，即使在恶劣环境下也能保持良好的性能[6]、[7]。在微电网和分布式能源系统中也取得了显著进展，尤其是在偏远和孤立地区[8]。一项关于新型光伏集成微型CAES的实验表明，该系统能够储存高达96%的光伏多余能量[9]。据称，一种小型逆变式CAES系统可以同时提供冷却、加热和电力[10]。微型CAES还展示了其在连接可再生能源和通信基站方面的应用价值，形成了具有弹性的独立系统[11]。此外，微型CAES还被用于专用车辆的动力系统[12]、[13]。法国MDI公司开发的一种压缩空气动力车辆最高时速可达80公里，续航里程约为100-120公里[14]。这些研究表明了微型CAES的多功能性，使其成为从离网环境到移动应用等多种领域的可行解决方案。
在上述微型CAES系统中，膨胀机起着关键作用。与速度型膨胀机（涡轮机）相比，容积式膨胀机因其高膨胀比、适中的流量和低旋转速度而更适用于微型CAES系统。研究人员提出了多种容积式膨胀机的结构和配置，包括往复式[15]、螺杆式[16]、滚动式[18]、旋转滑片式[19]、温克尔式[20]、摆动活塞式[21]、滚动活塞式[22]等。
在这些膨胀机中，旋转滑片式膨胀机（RSVE）具有多种优点，如功率和流量脉动小、结构简单、振动小。因此，许多研究人员对其进行了研究，以实现较小规模的发电。如图1所示，旋转滑片式膨胀机的滑片位于转子槽内。叶片的长度受到转子直径的限制，这使得难以显著增加膨胀腔的体积。转子在运行时驱动滑片刮擦定子内壁。过高的旋转速度会导致叶片尖端与定子内壁之间的相对速度过大，从而引起严重的部件磨损和摩擦损失。上述因素限制了膨胀机的功率上限。参考文献[23]对内部容积比为2至8的RSVE进行了系统综述，这些膨胀机可在400至3100转/分钟的旋转速度范围内工作。表1总结了RSVE在有机朗肯循环（ORC）低品位废热回收、S-CO2系统、工业低压蒸汽回收和CAES系统等应用中的研究现状。RSVE的功率范围从几百瓦到几千瓦不等，绝热效率介于30%到72%之间。
研究表明，泄漏和摩擦损失会影响旋转滑片式膨胀机的等熵效率和功率输出[34]、[35]、[36]。Bard等人[37]研究了RSVE的泄漏问题，发现泄漏主要是由于叶片与气缸之间的接触不足。Yang等人[38]通过在滑片槽内安装弹簧来确保叶片与气缸之间的持续接触，从而显著改善了叶片尖端的泄漏情况。Jia等人[39]提出了一种通过在滑片下方提供高压流体的方法，增强了滑片与气缸之间的作用力，同时大幅减少了摩擦损失。Bard等人[40]建立了数学模型来预测RSVE的叶片尖端泄漏。结果表明，旋转速度越高，叶片与气缸之间的相对速度越大，摩擦损失也越大。同步旋转的气缸被认为是一种有效的解决方案。这一观点已在旋转容积压缩机得到验证，新型压缩机结构如同步旋转压缩机[41]和旋转叶片压缩机[42]已被提出并实现。Gu等人[31]、[43]开发了一种带有同步旋转气缸的RSVE，与传统结构相比，叶片尖端与气缸之间的相对速度降低了98%，摩擦损失显著减少。
基于动态网格的数值模拟方法已被证明可以模拟旋转压缩机/膨胀机中的现象，包括泄漏、涡流形成、压力和温度变化。Bianchi等人[44]解决了生成适用于RSVE数值分析的计算网格的挑战。Ye等人[45]提出了一种基于用户定义节点位移的分析方法，以离散化双作用叶片机器的旋转和变形计算域。生成的网格与FLUENT求解器结合使用，用于多相计算流体动力学模拟。Kolasinski等人[19]对有机朗肯循环中的叶片膨胀机进行了数值和实验研究。数值分析结果表明，膨胀机工作腔内的压力、速度矢量和温度分布与实验数据高度一致。GU等人[31]、[43]提出了一种具有小偏心率和导向叶片端口的旋转气缸滑片式膨胀机。ICEM和FLUENT分别用于网格生成和模型计算。该研究成功预测了膨胀机的内部流场。
本文提出了一种新型的多叶片膨胀机（MVE-RP），适用于微型CAES系统，以解决RSVE常见的低功率输出、严重摩擦和泄漏问题。MVE-RP的主要创新在于滑片安装在定子上，而非滚动活塞上，叶片尖端与滚动活塞接触。此外，滚动活塞的运动是旋转（物体绕另一个物体的周期性旋转）而非自转（物体绕自身轴的旋转）。本文的结构如下：首先介绍膨胀机的结构和工作原理，然后分析其运行过程中的流体域运动。接着进行数值模拟研究，以获得不同旋转速度下的动态性能参数。最后，分析工作过程中的瞬态热力学特性、内部流场结构和间隙泄漏情况。这些工作为后续研究提供了重要参考。
多叶片膨胀机与滚动活塞
本节详细介绍了多叶片膨胀机与滚动活塞（MVE-RP）的结构和工作原理。
MVE-RP的主要部件包括定子（气缸）、滚动活塞和主轴。如图2所示，定子和滚动活塞的内孔均为圆形。主轴安装在定子中，其旋转轴与定子内孔的轴线重合。偏心凸轮安装在主轴上
方法
本节介绍了3D数值模拟、计算网格和边界条件的理论。然后，提出了评估膨胀机性能的参数。
结果与讨论
本文讨论了MVE-RP的动态性能，并分析了腔室内热力学特性随旋转角度的变化规律。此外，还分析了叶片尖端间隙泄漏流量随旋转角度的变化情况。
结论
本文提出了一种新型的多叶片膨胀机与滚动活塞。同时开发了一个考虑叶片和滚动活塞运动的3D动态模拟模型。研究了MVE-RP的平均和瞬态动态性能参数，以及腔室内压力和温度随旋转角度的变化规律。此外，还分析了内部流场特性和间隙泄漏流量随旋转角度的变化情况。
作者贡献声明
张新静：撰写 – 审稿与编辑，资金获取。刘宇：撰写 – 审稿与编辑。徐玉杰：资源协调。陈海生：撰写 – 审稿与编辑，项目管理，资金获取。田海飞：撰写 – 初稿撰写，可视化处理，验证，软件应用，方法论设计，数据分析。张华良：撰写 – 审稿与编辑，方法论设计。尹钊：方法论设计
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢国家自然科学基金（52376040, U24A6007）、国家重点研发计划（2023YFB2406500）、中国科学院科技指挥项目（LDES150000）、中国科学院国际合作项目（117GJHZ2023093MI）、中国科学院国际合作局对外合作重点项目（117GJHZ2023009MI）以及XPLORER奖的支持。
