进气畸变对超临界CO?压缩机失速起始的影响

超临界二氧化碳离心压缩机入口总温度和总压畸变对性能及流动特性的影响研究表明，入口畸变显著降低总压比和等熵效率，温度畸变在高压比工况下效率下降达11.1%，压力波与温度波存在强耦合效应，损失分布呈现非对称性。

　　

魏源|向武路|薛恒峰|钱张|雷张

华北电力大学动力工程学院，中国河北省保定市071003

摘要

本研究利用全环非稳态数值模拟方法，研究了入口总温度畸变和总压力畸变对315千瓦超临界二氧化碳离心压缩机性能和内部流动特性的影响。结果表明，在畸变入口条件下，压缩机性能显著下降。在设计质量流量下，总温度畸变和总压力畸变分别使总压比降低了1.9%和0.8%，等熵效率降低了2.2%和1.4%。在高质量流量下，总温度畸变情况下效率下降了11.1%。压力波的传播速度比温度波快，表明温度和压力之间存在显著的耦合效应。损失分布呈不对称性：在总压力畸变下，损失主要集中在叶片泄漏区域；而在总温度畸变下，由于轮毂侧摩擦和流动分离导致显著损失。此外，与总压力畸变相比，总温度畸变使无叶片扩压器中的混合损失增加了25%，并引发了更早的叶轮失速，从而改变了失速演变路径。本研究阐明了超临界二氧化碳压缩机在入口畸变条件下的流动损失机制和失速行为，为提高其运行稳定性和优化性能提供了理论基础。

引言

在全球碳中和战略的背景下，超临界二氧化碳（S-CO₂）布雷顿循环作为一种关键技术，因具有高热效率、紧凑性和优异的环境适应性而受到关注[1]、[2]、[3]。作为S-CO₂布雷顿循环的核心部件，离心压缩机负责将二氧化碳压缩到高压状态，从而提供驱动强制对流传热所需的压差。与传统离心压缩机相比，使用S-CO₂的压缩机具有更高的效率和更紧凑的设计。因此，研究S-CO₂离心压缩机的性能和稳定性对于优化布雷顿循环系统至关重要，这对提高循环效率和运行稳定性具有重要意义[4]、[5]、[6]。

S-CO₂离心压缩机的早期数值模拟面临重大挑战，主要是由于S-CO₂独特的热物理特性导致的不可忽视的真实气体效应[7]、[8]、[9]。Baltadjiev等人[10]使用真实气体模型进行了基础研究，比较了Lee-Kesler（LK）和Span-Wagner（SW）状态方程。他们的结果证实，SW方程在接近CO₂临界点时仍保持高精度[11]。在此基础上，Moraga等人[12]通过引入NIST REFPROP数据库中的数据填充的属性查找表，显著提高了计算效率。然而，Ameli等人[13]指出，压缩机性能对这些属性表的分辨率和临界点附近的运行条件非常敏感。作为回应，包括Karaefe团队在内的研究人员开发了改进的插值方法。这些进展在降低成本的同时不牺牲精度，为后续数值研究奠定了坚实基础。

在实际运行中，压缩机不可避免地会遇到入口畸变，这会显著降低其性能和稳定性[15]。虽然历史上关于入口畸变的研究主要集中在轴流压缩机上，但最近的研究开始关注离心压缩机[16]。这种转变是由于安装了入口弯头以及蜗壳的固有不对称性，这些因素在叶轮入口处引起了流动条件的畸变[17]。这种畸变与S-CO₂压缩机对入口条件的高敏感性相结合，对压缩机的效率和结构完整性构成了重大挑战[18]。

关于轴流压缩机入口畸变的研究相对成熟。早期研究中，Reid[19]实验性地研究了不同类型的入口总压力畸变对多级轴流压缩机性能的影响。这项开创性研究首次定义了“畸变角”的概念，为该领域的后续研究奠定了基础。随后，许多研究机构对轴流压缩机的入口畸变进行了大量实验研究[20]、[21]、[22]。然而，由于实验成本高昂以及计算流体动力学（CFD）的快速发展，数值模拟已成为研究入口畸变的有效替代方法[23]。

相比之下，关于离心压缩机入口畸变的研究相对较少。Ariga等人[24]使用不同配置的挡板在压缩机入口处产生了径向和周向的总压力畸变。他们的结果表明，径向畸变对性能的影响比周向畸变更明显，两者都导致叶轮效率显著下降。Kammerer[25]研究了入口总压力畸变对离心叶轮的影响，发现其对叶片前缘载荷有显著影响，且这种影响随质量流量的减小而减弱。Enayet等人[26]在对带有入口弯头的离心压缩机进行的实验研究中，使用激光多普勒风速计测量了管道弯头处的层流和湍流，发现流动方向上形成了两个反向旋转的涡旋。Zhang等人[27]在入口和出口处引入了畸变模型以研究其匹配情况，发现了一种能够在叶轮和扩压器中保持流动均匀性的最佳匹配方式，从而有效抑制了质量流量振荡。Zemp等人[28]分析了在规定的周向入口总压力畸变下离心压缩机叶片的强迫响应。然而，文献中尚未报道关于S-CO₂离心压缩机入口畸变的具体研究。

本研究探讨了入口总温度畸变和总压力畸变对315千瓦单级S-CO₂离心压缩机性能、损失机制和失速特性的影响。研究使用我们团队独立设计的压缩机进行了全环非稳态数值模拟，这是首次系统地探索S-CO₂离心压缩机中这些特定畸变类型的影响。

研究内容片段

研究对象

我们团队设计并制造了一台315千瓦单级S-CO₂离心压缩机试验装置。该装置在无叶片扩压器中周向布置了八个动态压力传感器，如图1所示，图中还展示了实际的叶轮和主轴。这些仪器与动态测量系统集成在一起，可以实时捕捉压力波动，以监测扩压器的运行状态[29]。该试验平台已经投入使用。

入口畸变对压缩机性能的影响

入口畸变会导致压缩机内部流场的恶化，从而降低性能。如图7所示，均匀入口（Des）、入口总压力畸变（Pdis）和入口总温度畸变（Tdis）条件下的整体性能曲线比较表明，入口畸变显著影响了S-CO₂离心压缩机的性能。

入口总温度畸变下S-CO₂离心压缩机的失速机制

如前面的对比分析所示，Tdis（入口总温度畸变）条件下的压缩机性能和流场受到更明显的影响。因此，本节专门研究Tdis条件下的S-CO₂离心压缩机的失速机制，以探讨其与均匀入口条件下的失速行为的差异。

压缩机被驱动进入...

结论

本研究通过全通道非稳态数值模拟，系统地研究了入口总温度畸变（Tdis）和总压力畸变（Pdis）对超临界CO₂离心压缩机性能和流动特性的影响。揭示了入口畸变的传播机制及其相关的损失分布。主要结论如下：

(1)

入口畸变显著降低了压缩机的性能和稳定性。

作者贡献声明

魏源：撰写——初稿、软件开发、方法论、资金获取、数据分析、概念构思。雷张：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取、数据分析、概念构思。钱张：撰写——初稿、方法论、数据分析。薛恒峰：撰写——初稿、方法论、数据分析。向武路：撰写——初稿、软件开发、方法论、研究、数据分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（项目编号：52076079、52406089）和河北省自然科学基金（项目编号：E2022502052、E2025502091）的支持。