氦氣壓氣機(jī)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(xué)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(jī)構(gòu)推薦的下一代(第四代)反應(yīng)堆型，是未來核能領(lǐng)域的重要發(fā)展方向之一[1～3]。高溫氣冷堆一回路直接采用氦氣輪機(jī)發(fā)電(布雷頓循環(huán))，可簡化高溫氣冷堆能量轉(zhuǎn)換裝置所必需的設(shè)備，減少設(shè)備運(yùn)行與維護(hù)成本，降低投資，且發(fā)電效率可達(dá)50%[4～6]；而采用二回路蒸汽透平作為能量轉(zhuǎn)換裝置(朗肯循環(huán))，發(fā)電效率只有30%左右。高溫氣冷堆一回路氦氣閉式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)直接發(fā)電，是未來核電站的重要發(fā)展方向。

氦氣壓氣機(jī)是氦氣輪機(jī)的核心部件之一。相比常規(guī)燃?xì)廨啓C(jī)的壓氣機(jī)，由于氦氣與空氣物性相差較大，難以壓縮，所以氦氣壓氣機(jī)單級壓比小，級數(shù)多，均采用間冷器。氦氣壓氣機(jī)的高、低壓壓氣機(jī)，一般均采用重復(fù)級設(shè)計來簡化設(shè)計和加工難度。高壓壓氣機(jī)的運(yùn)行工況最為惡劣，集中體現(xiàn)了設(shè)計中遇到的大輪轂比、高葉柵稠度、小流道、低雷諾數(shù)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(fā)電的難點(diǎn)和關(guān)鍵。

目前，針對高溫氣冷堆氦氣壓氣機(jī)高壓級的系統(tǒng)研究，國內(nèi)外很少有文獻(xiàn)發(fā)表。本文采用實驗的方法對某氦氣壓氣機(jī)高壓級的氣動性能進(jìn)行研究，并采用數(shù)值模擬的方法進(jìn)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(jī)實驗臺(圖1)上進(jìn)行。該實驗臺可進(jìn)行單級性能實驗和整機(jī)性能實驗，主要包括動力系統(tǒng)、閉式循環(huán)管路系統(tǒng)、氦氣實驗系統(tǒng)、控制與數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)等。

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

2.2 實驗結(jié)果

氦氣壓氣機(jī)高壓級的性能集中體現(xiàn)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(shè)計點(diǎn)的環(huán)境有一定差別，故在利用所測進(jìn)出口壓力、溫度等數(shù)據(jù)計算得到特性線的過程中，采用向設(shè)計點(diǎn)折合的方法近似消除環(huán)境差異帶來的影響。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)所得特性線如圖4所示。其中，100%為設(shè)計轉(zhuǎn)速下的特性線，85%、70%分別為85%設(shè)計轉(zhuǎn)速和70%設(shè)計轉(zhuǎn)速下的特性線；下同。從實驗結(jié)果看，在設(shè)計轉(zhuǎn)速下，此壓氣機(jī)高壓級設(shè)計壓比(1.05)時效率略低，在80%左右，但與預(yù)計的性能相差不大，可應(yīng)用到氦氣壓氣機(jī)整機(jī)研制中。

圖1 實驗臺示意圖及實物照片F(xiàn)ig.1 Schematic diagram and picture of test rig

圖2 高壓壓氣機(jī)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(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模擬方法

數(shù)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(fēng)格式。邊界條件為進(jìn)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(wǎng)格采用HOH型網(wǎng)格，即入口段、出口段采用H型網(wǎng)格，葉片域采用O型網(wǎng)格，間隙區(qū)域采用蝶型網(wǎng)格。圖5為計算網(wǎng)格示意圖，具體網(wǎng)格數(shù)見表1。

表1 計算網(wǎng)格匯總Table 1 Collection of calculation grids

3.2 數(shù)值計算方法驗證

由于實驗所得數(shù)據(jù)較多，且部分實驗數(shù)據(jù)較為接近或重復(fù)，所以選取典型實驗數(shù)據(jù)對其進(jìn)行數(shù)值模擬來驗證計算的可靠性。

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

4 性能分析

對此氦氣壓氣機(jī)高壓級，采用與數(shù)值驗證時相同的湍流模型、邊界條件、離散方式和網(wǎng)格拓?fù)浞绞降冗M(jìn)一步數(shù)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(jìn)行超轉(zhuǎn)實驗。但數(shù)值模擬時對40%～130%設(shè)計轉(zhuǎn)速下的特性進(jìn)行了模擬，得到的特性線如圖7所示。從圖中可看出，在高轉(zhuǎn)速(設(shè)計轉(zhuǎn)速，110%設(shè)計轉(zhuǎn)速，120%設(shè)計轉(zhuǎn)速和130%設(shè)計轉(zhuǎn)速)，設(shè)計壓比(1.05)以上區(qū)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(jī)特性線較為相似。

4.2 表面靜壓

圖8給出了設(shè)計點(diǎn)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(shè)計點(diǎn)進(jìn)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(jìn)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(fā)生的可能性，有待進(jìn)一步改進(jìn)；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(shè)計點(diǎn)的進(jìn)口導(dǎo)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(jìn)行了適當(dāng)旋轉(zhuǎn)。從圖中可看出，第一級動葉吸力面根部尾緣附近角區(qū)和第一級靜葉吸力面頂部尾緣附近角區(qū)均有一局部分離區(qū)，但分離較弱，流動相對穩(wěn)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(shè)計點(diǎn)極限流線Fig.9 Limit streamline at design point

5 結(jié)論

(1)此氦氣壓氣機(jī)高壓級性能較好，可應(yīng)用到氦氣壓氣機(jī)整機(jī)研制中。

(2)此氦氣壓氣機(jī)高壓級設(shè)計點(diǎn)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(jī)高壓級效率略低，下一步可改進(jìn)設(shè)計以提高其性能。

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