基于先进航空发动机技术的压缩空气储能关键设备

10月23日—25日，由ESPlaza长时储能网主办、湖州工业控制技术研究院+浙江绿储科技有限公司联合主办的2024第二届中国长时储能大会在浙江湖州盛大召开，成都成发科能动力工程有限公司副总经理逯广平出席会议，以《基于先进航空发动机技术的压缩空气储能关键设备》为题发表主题演讲。

成都成发科能动力工程有限公司（以下简称成发科能）隶属于中国航空发动机集团，始于1958年，是国家“一五”期间156个重点工程项目之一。自20世纪90年代起响应国家军转民号召，开始民用工业装备的探索和研制，迄今也有30余年。

当前，成发科能致力于利用航空发动机先进的压气机与涡轮机技术，进一步提升工业压缩机和透平机效率，从而实现为用户节能、为国家减排。

航空发动机主要由轴流压缩机、燃烧室、涡轮三部分组成。“30年来，我们已经形成了较为完善的基于航发的工业动力装备衍生体系，如利用航空压气机技术开发的市场ACL/ACF系列轴流压缩机、第三代高性能ACH轴流压缩机；利用涡轮膨胀透平技术开发出了高炉煤气余压透平发电装置（TRT）、烟气轮机、天然气压差发电膨胀机、燃气轮机动力涡轮等；利用涡轴发动机离心压缩技术开发了高速离心压缩机，氦气压缩机等产品。”逯广平说道。

基于航发技术的储能关键设备

各类工业系统中的“压缩机、膨胀机等设备，技术原理上是相通的，但是不同的工艺流程中对设备有不同的要求。”

比如在压缩空气储能领域，“航空发动机和压储工艺有着异曲同工之处。”逯广平介绍了航空发电机与压缩空气储能的相关性。

两者对空气的压缩与透平膨胀过程相同，区别在于航空发电机通过燃烧室补燃，压缩空气储能则是通过蓄热、换热的形式，但二者殊途同归，均以提高涡轮的盘前温度为最终目标，进一步提高涡轮的出力、效率。

基于航空发动机在体积、重量上的限制及高性能的要求，航空发动机压气机在叶片的叶型技术、材料技术、工况范围、转子动力学特性等方面有着特殊的考量。逯广平介绍道，“单从数据指标上看，航空发动机是叶轮机械中性能指标最先进的工业设备。”

因此，成发科能公司以此为启发，开启了通过航空发动机的应用带动工业压缩机和膨胀机技术的创新实践。

▌压缩机

航空发动机和压缩空气储能对设备都有宽工况非稳态压缩、快速加载、卸载、频繁启停、高温高压等要求。在30多年的技术转化与设备推广中，成发科能完成了以下创新：

1.建立了一套较为完整的压缩机体系正向设计平台，能够实现一维、二维设计、叶片造型、三维仿真等工作，能根据用户参数要求快速进行一对一设计，并快速获得优化设计的结果。

2.叶片采用高承载力的“T”型榫齿结构，对原来的枞树型榫齿进行优化，使其在榫头部位获得更高的安全裕度。

3.优化叶型推出了第二代高性能叶型，能够实现更小角度、更高压力的操作，流量和压力裕度显著提升，拓展了性能曲线的包络范围，进一步提升了效率，减少用户能耗。

总览航空发动机技术发展历程与航空轴流压气机气动设计方法体系的发展，逯广平表示：“每一代发动机技术进步的背后，都是技术体系的革新。航空发动机技术的公开与进步，对整个工业压缩技术水平的提升产生了明显的推动作用。”

2021年，成发科能开始立项开发ICTA3新型轴流压缩机技术，将航空发动机压气机的先进设计技术与工业压缩机高可靠性的设计特点相结合，定义了高气动效率、高功率密度、高可靠性三大技术目标。这些目标如何实现？逯广平详细解释道。

第一，为提高功率密度与效率，开发了Ultra One宽弦可控扩散叶型。叶型厚度及曲率按最佳分布，叶型弯、扭、掠采用非重复级设计，消除附面层分离影响，提高了大约5%的气动效率。将目前工业压缩机的级压比提升了18%，升压能力强，功率密度大，叶片级数减少40%。

第二，采用复合流道技术，等外+等内流道设计使其前段近似等外径设计，叶片圆周速度更高，做功能力更强；后段等内径设计，控制叶片展弦比，减小叶尖间隙泄漏对效率的影响兼顾做功能力和高效设计。

第三，依托国家日益增长的计算能力及集团自研的CFD软件实现了整机的数值仿真，全面优化了进排气流道，实现了系统效率的提升。

得益于此，成发科能新一代轴流压缩机与传统机型相比，效率提高5%，级数减少40%、主机重量、轴向尺寸减小30%、同时叶身、榫头应力水平及转子动力学等都得到了显著提升。

“纸上得来终觉浅”，相关设计完成后，成发科能开发了缩比样机ACH7压缩机进行各项性能试验验证，当前正在工程样机阶段，预计明年初将完成所有工程样机性能测试工作。

离心式压气机常用于涡轴发动机中，中国航发研制了多个型号的涡轴发动机，具有丰富的离心式压气机开发经验，以此为基础科能公司也衍生开发了各种形式的离心式压缩机。

▌膨胀机

膨胀发电系统是释能过程中热功转换的核心部件，效率的高低直接决定着整个电站的储能效率，“成都成发拥有30多年透平膨胀机制作经验，针对煤气介质、烟气介质、空气介质及大流量轴流透平机、小流量向心透平机等均具备完全的开发能力。”

逯广平介绍道，成都成发采用自主开发的T-Turbo系列气动设计软件可以根据不同热力参数，不同物理工质的透平机组提供最优气动方案，实现了快速响应市场、一对一定制设计；

采用专业的流场分析软件进行各工况点的流场分析，确保机组的流畅稳定，工作效率高。

针对小流量的高压段采用向心透平，提高膨胀机的运行可靠性，具有零件数量更少，可靠性更高、转子更轻，转动惯量小，响应更快等优势。在轴流膨胀段采用高速方案，提升膨胀机的效率，膨胀机级数减少，叶片更少，降低故障率，成本更优。

基于航空发动机技术的工业设备优势，逯广平总结为以下几点：

1.高效，ICTA3试验结果表明：效率优于当前主流技术3%～5%，适应宽工况非稳态高效压缩需求；

2.稳定，应力水平更低，高效范围更宽，压缩机裕度更大，运行稳定可靠适用于快速加载卸载、频繁启停需求；

3.满足高温储热需求，级压比高，应用更少级数实现更高压比，压缩热满足高温储热需求；

4.定制化设计，一对一定制化设计，适应多次启停工况，一键启停；

5优质服务，专业化服务队伍，以客户为核心的服务理念，快速反应，智能化程度高。

演讲的最后，逯广平对未来航空发动机技术在储能领域的利用，提出以下展望：

利用航空发动机、燃气轮机压气机技术，开发排气温度400℃以上的高温轴流压缩机，满足未来高温储热的应用需求；

继续提升技术水平，持续完善透平设备的模块化、标准化、系列化，提高生产效率，缩短交货周期，降低成本。加快撬装化、数字化、智能化技术升级，为客户提供高端智慧技术产品。

转自：ESPlaza长时储能网