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)備運行與維護成本，降低投資，且發(fā)電效率可達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)燃氣輪機直接發(fā)電，是未來核電站的重要發(fā)展方向。

氦氣壓氣機是氦氣輪機的核心部件之一。相比常規(guī)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(shù)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(fù)級設(shè)計來簡化設(shè)計和加工難度。高壓壓氣機的運行工況最為惡劣，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)電的難點和關(guān)鍵。

目前，針對高溫氣冷堆氦氣壓氣機高壓級的系統(tǒng)研究，國內(nèi)外很少有文獻發(fā)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(shù)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(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(dǎo)向葉片。

2.2 實驗結(jié)果

氦氣壓氣機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)計點的環(huán)境有一定差別，故在利用所測進出口壓力、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)用到氦氣壓氣機整機研制中。

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)計點附近)，可認(rèn)為數(shù)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(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，均與典型壓氣機特性線較為相似。

4.2 表面靜壓

圖8給出了設(shè)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(shè)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(fā)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(shè)計點的進口導(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)計點極限流線Fig.9 Limit streamline at design point

5 結(jié)論

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

(2)此氦氣壓氣機高壓級設(shè)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(shè)計以提高其性能。

[1]王大中，呂應(yīng)運.我國能源前景與高溫氣冷堆[J].核科學(xué)與工程，1993，13(4)：2—7.

[2]Muto Y，Ishiyama S，Shiozawa S，et al.Design and Eco?nomics of the HTGR-GT Power Plant by JAERI[R].ASME GT-2002-30148，2002.

[3]Van Dam H，Van der Hagen T H J J.Nuclear Gas Tur?bines Small-Scale Inherently Safe,Well-Proven Nuclear Power[R].ASME GT-2002-30510，2002.

[4]Pradeep Kumar K N，Tourlidakis A，Pilidis P.HTGR Closed Cycle GT Plant Analysis:Options and Procedures for Startup with Hot Gas Injection[R].ASME GT-2002-30146，2002.

[5]陳夷華，王 捷，張作義.高溫氣冷堆回?zé)嵫h(huán)及透平機組的初步研究[J].原子能科學(xué)技術(shù)，2003，37(5)：451—455.

[6]Zhang Zuo-yi，Yu Su-yuan.Future HTGR Developments in China after the Criticality of the HTR-10[J].Nuclear Engineering and Design，2002，218：249—257.