氦氣壓氣機高壓級實驗研究及性能分析

趙洪雷，來 亮，徐立民，譚春青

(1.中船重工七〇三研究所，黑龍江哈爾濱150036；2.中國科學院工程熱物理研究所，北京100190)

1 引言

高溫氣冷堆(HTGR)是國際原子能機構推薦的下一代(第四代)反應堆型，是未來核能領域的重要發展方向之一[1～3]。高溫氣冷堆一回路直接采用氦氣輪機發電(布雷頓循環)，可簡化高溫氣冷堆能量轉換裝置所必需的設備，減少設備運行與維護成本，降低投資，且發電效率可達50%[4～6]；而采用二回路蒸汽透平作為能量轉換裝置(朗肯循環)，發電效率只有30%左右。高溫氣冷堆一回路氦氣閉式循環燃氣輪機直接發電，是未來核電站的重要發展方向。

氦氣壓氣機是氦氣輪機的核心部件之一。相比常規燃氣輪機的壓氣機，由于氦氣與空氣物性相差較大，難以壓縮，所以氦氣壓氣機單級壓比小，級數多，均采用間冷器。氦氣壓氣機的高、低壓壓氣機，一般均采用重復級設計來簡化設計和加工難度。高壓壓氣機的運行工況最為惡劣，集中體現了設計中遇到的大輪轂比、高葉柵稠度、小流道、低雷諾數的影響，反映的問題具有顯著的代表意義，是高溫氣冷堆高效發電的難點和關鍵。

目前，針對高溫氣冷堆氦氣壓氣機高壓級的系統研究，國內外很少有文獻發表。本文采用實驗的方法對某氦氣壓氣機高壓級的氣動性能進行研究，并采用數值模擬的方法進一步分析其性能。

2 實驗研究

2.1 實驗裝置

實驗在中船重工703研究所的氦氣壓氣機實驗臺(圖1)上進行。該實驗臺可進行單級性能實驗和整機性能實驗，主要包括動力系統、閉式循環管路系統、氦氣實驗系統、控制與數據采集分析系統等。

實驗件為中船重工703研究所設計的氦氣壓氣機實驗樣機的高壓級，其模型如圖2所示。圖3為此高壓壓氣機動葉和靜葉的模型圖。單級實驗時進口加裝導向葉片。

2.2 實驗結果

氦氣壓氣機高壓級的性能集中體現在流量、壓比、效率等幾方面。由于實驗過程中的溫度、壓力條件與設計點的環境有一定差別，故在利用所測進出口壓力、溫度等數據計算得到特性線的過程中，采用向設計點折合的方法近似消除環境差異帶來的影響。根據實驗數據所得特性線如圖4所示。其中，100%為設計轉速下的特性線，85%、70%分別為85%設計轉速和70%設計轉速下的特性線；下同。從實驗結果看，在設計轉速下，此壓氣機高壓級設計壓比(1.05)時效率略低，在80%左右，但與預計的性能相差不大，可應用到氦氣壓氣機整機研制中。

圖1 實驗臺示意圖及實物照片Fig.1 Schematic diagram and picture of test rig

圖2 高壓壓氣機模型Fig.2 High-pressure compressor model

圖3 動葉和靜葉模型Fig.3 Models of rotor and stator

圖4 特性線(實驗)Fig.4 Characteristic lines(test)

3 數值模擬

3.1 數值模擬方法

數值模擬采用Numeca軟件，定常計算，湍流模型采用Spalart-Allmaras模型，空間離散采用二階迎風格式。邊界條件為進口給定總壓、總溫、氣流角，出口給定靜壓，壁面給定無滑移邊界條件。計算網格采用HOH型網格，即入口段、出口段采用H型網格，葉片域采用O型網格，間隙區域采用蝶型網格。圖5為計算網格示意圖，具體網格數見表1。

表1 計算網格匯總Table 1 Collection of calculation grids

3.2 數值計算方法驗證

由于實驗所得數據較多，且部分實驗數據較為接近或重復，所以選取典型實驗數據對其進行數值模擬來驗證計算的可靠性。

圖6給出了數值模擬和實驗結果的對比，圖中流量采用與設計點流量的相對值表示。從圖中可看出，模擬結果與實驗結果比較接近，并且在趨勢上與實驗結果基本相同(特別是在設計點附近)，可認為數值模擬能有效模擬此氦氣壓氣機高壓級。

4 性能分析

對此氦氣壓氣機高壓級，采用與數值驗證時相同的湍流模型、邊界條件、離散方式和網格拓撲方式等進一步數值模擬，分析其性能。

4.1 特性線

圖6 特性線對比Fig.6 Comparison of characteristic lines

考慮到實驗裝置安全等限制，特別是為了實驗件中的主要部分可用于未來的多級實驗，實驗時沒有進行超轉實驗。但數值模擬時對40%～130%設計轉速下的特性進行了模擬，得到的特性線如圖7所示。從圖中可看出，在高轉速(設計轉速，110%設計轉速，120%設計轉速和130%設計轉速)，設計壓比(1.05)以上區域，效率變化不大。無論是流量-壓比特性還是流量-效率特性，均與典型壓氣機特性線較為相似。

4.2 表面靜壓

圖8給出了設計點第一級動葉和第一級靜葉在葉片根部(約10%葉高)、葉片中部(約50%葉高)和葉片頂部(約90%葉高)的表面靜壓，圖中靜壓用表面靜壓與設計點進口總壓的比值表示。從圖中看，第一級動葉根部、中部和頂部的進口沖角均不大，基本接近零沖角，葉型損失較小，效率較高。第一級靜葉根部和中部有小的正沖角，頂部正沖角略大，增大了失速發生的可能性，有待進一步改進；靜葉后部的逆壓梯度不大，總體性能不錯。

4.3 流線

圖9分別給出了設計點的進口導葉、第一級動葉和第一級靜葉的極限流線。其中，為更好顯示，動葉根部和吸力面的極限流線圖，以及靜葉頂部和吸力面的極限流線圖進行了適當旋轉。從圖中可看出，第一級動葉吸力面根部尾緣附近角區和第一級靜葉吸力面頂部尾緣附近角區均有一局部分離區，但分離較弱，流動相對穩定。

圖7 特性線(計算)Fig.7 Characteristic lines(computation)

圖8 表面靜壓Fig.8 Static pressure of surface

圖9 設計點極限流線Fig.9 Limit streamline at design point

5 結論

(1)此氦氣壓氣機高壓級性能較好，可應用到氦氣壓氣機整機研制中。

(2)此氦氣壓氣機高壓級設計點時表面靜壓分布較為合理，流動分離不大，性能良好。

(3)此氦氣壓氣機高壓級效率略低，下一步可改進設計以提高其性能。

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