（轮机工程专业论文）氦气压气机新型高负荷叶型初步研究.pdf

哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 摘要 高温气冷堆和非传统燃料外燃式热机使布雷登循环氦气轮机面临很好的 发展前景。氦气压气机如果采用常规的空气压气机规律设计，则其单级压比 小、级数过多，这是未来发展必须解决的一个课题。针对此问题，本文对一 种可成倍提高氦气压气机级加功量的新型速度三角形进行了分析介绍，用空 气平面叶栅试验数据和经验规律对新型氦气叶栅进行了叶型损失估算和基元 级叶型效率估算。在对所选湍流模型和网格划分首先进行了校准的基础上， 采用f l u e n t 6 3 流体分析软件对新型氦气叶栅流场进行了数值模拟，并分析 了叶栅最大相对厚度对叶栅性能的影响。 数值模拟结果显示：与常规设计相比，当进口马赫数为0 4 6 6 至0 7 0 1 3 时，此新型基元级的加功量可以增加2 至4 倍，从而成倍的减少氦气压气机 的级数，而叶型效率仍可达到o 9 3 9 至0 8 9 4 ；气流转折角达到3 8 7 5 。至 4 9 4 3 。；出口气流角达到o 7 8 。至一1 2 4 5 。；流场基本没有出现分离现象； 减小叶栅最大相对厚度可以提高叶型效率。 由于空气平面叶栅为低速试验，并缺乏新型叶栅结构参数下的试验数据 支持，用空气平面叶栅经验估算新型氦气叶栅性能在较高马赫数下偏差较大。 本文数值模拟的叶栅仍然采用了传统的原始叶型厚度分布( c 4 叶型) ，对叶 片厚度分布或气流通道形状进行优化设计预计还有较大的提升性能的潜力。 关键词：氦气；压气机；叶栅；速度三角形；数值模拟 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a bs t r a c t n l eh i g ht e m p e r a t u r eg a s c o o l e dr e a c t o r ( h t g r ) a n de x t e r n a l c o m b u s t i o n h e a te n g i n ef i r i n gw i t hn o n t r a d i t i o n a lf u e lb r i n gb r a y t o n - c y c l eh e l i u mt u r b i n ef l v e r yg o o dp r o s p e c t i ft h eh e l i u mc o m p r e s s o ri sd e s i g n e d a c c o r d i n gt o c o n v e n t i o n a la i r - c o m p r e s s o rr u l e ，t h ep r e s s u r er a t i oo fs i n g l e s t a g ew i l l b e s m a l l e ra n dt h en u m b e ro fs t a g e sw i l lb ee x c e s s i v e t h e s ep r o b l e m sp r e s e n ta t o p i cw h i c hm u s tb es o l v e di nf u r t h e rd e v e l o p m e n t t h e r e f o r ean e wv e l o c i t y t r i a n g l e o fh e l i u m c o m p r e s s o r i s p r e s e n t e d a n d a n a l y z e d i tc a l l i n c r e a s e s e v e r a l f o l ds t a g el o a d i n g t h et e s td a t aa n de x p e r i e n c e so fa i rc a s c a d ea r eu s e dt o e s t i m a t et h ep r o f i l el o s s e sa n ds t a g ee f f i c i e n c yo ft h en e wh e l i u mc a s c a d e o n t h eb a s i so fv a l i d a t i o nf o rs e l e c t e dt u r b u l e n c em o d e la n dm e s hd i v i s i o n , f l u i d a n a l y s i ss o f t w a r ef l u e n t 6 3i s u s e dt os i m u l a t et h ef l o wo fn e wh e l i u m c a s c a d e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t ，c o m p a r i n gw i t ht h ec o n v e n t i o n a ld e s i g n ，t h e n e ws t a g el o a d i n gc a nb ei n c r e a s e db y2t o4t i m e sw h e ni n l e tm a e hn u m b e ri s 0 4 6 6t o0 7 013 t h e r e f o r et h es t a g en u m b e ro fh e l i u mc o m p r e s s o ri sr e d u c e d s e v e r a l f o l d ，w h i l ep r o f i l ee f f i c i e n c yc a l lr e a c h0 9 3 9 t o0 8 9 4 ；1 1 1 ea i rt u m i n g a n g l er e a c h e s3 8 7 5 0t o4 9 4 3 0 ，w h i l et h eo u t l e ta n g l er e a c h e s0 7 8 0t o 一1 2 4 5 0 ； t h e r ei s b a s i c a l l y n os e p a r a t i n g p h e n o m e n o ni nf l o wf i e l d ；r e d u c i n gt h e m a x i m u mt h i c k n e s so fa e r o f o i lc a l li m p r o v et h es t a g ep r o f i l ee f f i c i e n c y b e c a u s et h ee x p e r i m e n t a ld a t aa r el a c k i n gt o s u p p o r tt h e n e wc a s c a d e s t r u c t u r a lp a r a m e t e r sa n da i rc a s c a d et e s ti sak i n do fl o w s p e e dt e s t ，t h e r ei s s o m ed e v i a t i o nt oe s t i m a t eh e l i u mc a s c a d ep e r f o r m a n c ea tt h eh i g h e rm a c h n u m b e rb yu s eo fa i rc a s c a d ee x p e r i e n c e s i nt h i sc a s c a d es i m u l a t i o n ，t r a d i t i o n a l o r i g i n a lp r o f i l et h i c k n e s sd i s t r i b u t i o n ( c 4b l a d ep r o f i l e ) i sa p p l i e d ，t h e r e f o r et h e o p t i m i z i n gf o rt h ep r o f i l et h i c k n e s sd i s t r i b u t i o na n dt h es h a p eo ff l o wf i e l da r e 哈尔滨工程大学硕士学位论文 e x p e c t e dt ob eag r e a t e rp o t e n t i a lf o re n h a n c i n gp e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：h e l i u m ；c o m p r e s s o r ；c a s c a d e ；v e l o c i t yt r i a n g l e ；n u m e r i c a l s i m u l m i o n 哈尔滨工程大学 学位论文原创性j 声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献等的 应用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已经注明 引用内容外，本论文不包含任何其他人或集体己公开发表的 作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己 在文中以明确方式标明。本人完全意识到声明的法律结果由 本人承担。 作者( 签字) ：超撞豳 日期：2 曙年1月) 口e l 哈尔滨工程大学硕士学位论文 n 1 1 课题背景 第1 章绪论 本课题背景项目是国家重点基础研究发展计划( 9 7 3 计划) “燃气轮机的 高性能热功转换科学技术问题研究”的子项“高性能压气机模型级研究”项 目。 此项目中的“高负荷压气机基元级及相应的高负荷叶型开发”正是本课题 的研究重点，即：通过研究全新的基元级和全新的高负荷叶型，发展适用于 小分子量气体的高负荷压气机的新型设计理论基础，使级数和长度减少，提 高压气机性能。主要研究大转折角、高负荷压气机新型基元级，以及相应的 大转折角、高负荷压气机新型叶型。 目前高温气冷堆和闭式循环燃气轮机主要以氦气为工质，所以本课题的 小分子量气体选用氦气。氦气压气机的主要应用领域包括高温气冷堆氦气轮 机和闭式循环燃气轮机。 高温气冷堆氦气轮机是将氦气轮机与模块式高温气冷堆相结合，利用 高温堆产生的高温氦气直接推动涡轮机做功进行高效率发电他1 。与目前的蒸 汽轮机相比较，氦气轮机发电系统结构紧凑，都安装在一回路压力边界内。 采用中间冷却和回热等技术后，热效率高佃1 。由于氦气的比热容大，故循环 比功也大。氦气轮机循环可以突破蒸汽动力循环的温度限制，从而成为研究 高温气冷堆高效率发电的一个重要方向1 4 , 5 o 高温气冷堆氦气轮机是核电领域 中的全新概念，为提高核电安全性和经济性提供了新思路，有很强的竞争优 势，被认为是将来核能发电领域中最有潜力的方案之一1 。 闭式循环燃气轮机面临发展【7 1 ，其研究主要集中在高温气冷堆氦气轮机。 闭式循环燃气轮机即将进入核电核动力领域，并呈迅速发展态势。闭式循环 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i 暑宣i i i i i i ；i 昌暑宣暑暑暑宣i i 宣i ；暑i 暑暑i 昌宣昌宣i 宣暑宣；i ；暑i ；i ；皇t -_ ；昌；j 宣；宣；宣暑宣i i j 暑暑暑i ； 燃气轮机采用的工质一般是空气以外的其它气体，常用的有氮气、二氧化碳、 氦气等嵋一1 。目前闭式循环燃气轮机通常选用氦气作工质，随着近一段时期高 温气冷堆的发展，瞄准高温气冷堆的氦气轮机成为了其中的热点。另外，采 用金属燃料的闭式循环燃气轮机，正在研发应用于高能量密度运载工具动力 系统，如不依赖空气动力( a i p ) 、无人潜航器( u u v ) 动力等。 1 2 国内外研究状况 1 2 1 国外发展状况 一、高温气冷堆的发展状况 人们很早就认识到，高温气冷堆采用氦气透平直接循环发电可以显著提 高发电效率，国际上高温气冷堆的研究始于2 0 世纪6 0 年代，但因为技术和 安全方面的原因，发展比较慢，直到近十年来，很多新技术的兴起，如反应 堆外壳的包钢结构，燃料颗粒的新型结构和陶瓷包覆材料的利用，又重新刺 激了高温气冷堆的发展，逐渐成为一种将来取代轻水反应堆的新型堆型。高 温气冷堆经历了4 0 多年的发展过程”2 。 在6 0 年代中期，一些试验性的小功率反应堆装置形成了高温气冷堆的首 批成功技术，这包括d r a g o n ( 英国) ，p e a c h - - b o t t o m ( 美国) 和a v r ( 德 国) ，这些反应堆均运行可靠。接下来，高温气冷堆进入了原型堆示范电站的 阶段，1 9 7 4 年美国原型反应堆f o r ts a i n tv r a i n 被投入运行；美国于1 9 7 6 年 建成圣符伦堡高温气冷堆电站；德国于1 9 8 5 年建成钍高温球床堆 ( t h t r 3 0 0 ) 。以上6 座高温气冷反应堆的运行表明了它们具有本质的自身保 护性能，从而使它们能满足最严格的安全性要求。但由于技术和非技术的原 因在当时的条件下这些示范电站没有达到这个目标。 1 9 7 9 年美国三里岛核电站事故发生后，国际核能界着眼于设计安全性更 好的反应堆，模块式高温气冷堆就是在这样的背景下提出的。2 0 世纪8 0 年 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 代中期，主要有两种模块式高温气冷堆设计准备推向市场，即德国s i e m e n s i n t e r a t o m 公司的h t r m o d u l e 和美国g a 公司的模块式高温气冷堆 姗t g r 3 5 0 ，这两个模块堆电站的设计均采用间接循环的蒸汽轮机组发电。 由于德国和美国核能发展的总体形势方面的原因，上述设计没能付诸于实际 电站的建设。 进入8 0 年代后期，由于西方国家反核的政策和形势，高温气冷堆研究也 和其它类型的反应堆一样，陷于停顿状态，上述实验堆和示范电站相继关闭。 进入9 0 年代以后，各个国家的一些公司均对实施最新的核工程成果表示关 切，这一关切使得在高温气冷堆领域内的国际合作已被巩固并进一步扩大， 这一时期，国际上高温气冷堆的研究主要有： h t t r ：日本原子能研究所主持设计并建造的高温气冷试验堆。h 丌r 于 1 9 9 9 年达到临界并运行，主要进行以下试验项目：安全、热工水力、燃料、 高温部件、堆芯物理和控制仪表。h t t r 只供给高温工艺热，还未考虑到发 电的问题。 g t m h r ：在原m h g t r 基础上结合闭式布雷顿循环能量转换系统而 形成的柱状堆，于1 9 9 7 年完成，目前由俄罗斯o k b m 进行详细设计。在结 构布置上，g t m h r 与p b m r 有所不同，采用的是单轴布局，结构紧凑， 运行、控制、调节和装卸简单。 a c a c i a ：在荷兰进行的4 0 兆瓦热功率的实验性高温气冷堆( 它带有燃 气轮机和球床) 的概念性设计，该反应堆装置能为工业热能用户同时提供电力 和热能。 p b m r ：在德国等多国的协助下设计并打算建造的高温气冷堆。该研究 设计项目开始于1 9 9 3 年，为双区球床型高温气冷堆，多轴布局，采用的是标 准的布雷登循环，并带有闭式水冷的预冷器和间冷器。 g f r ：2 0 0 1 年法国原子能委员会的一个大规模的研究和发展计划，该计 划是既针对热中子反应堆也针对快中子反应堆来予以实施的，其应用领域包 括在直接燃气轮机循环中的电力生产和在各种工业工艺过程中使用高潜能熟 哈尔滨工程大学硕士学位论文 能。 目前，世界上在把燃气轮机循环用于带有高温气冷堆的核电站方面还缺 乏实际经验，因此对这种核电站优点的验证科学家只是基于理论研究，对带 有直接闭式循环燃气轮机高效装置建造的可能性，以及对各种不同的核电站 运行模式的可控制性进行实验验证是极其必要的把圳。 二、氦气轮机的发展状况 闭式循环氦气轮机技术发展于二十世纪六十年代，主要应用于反应堆的 二回路中，应用于一回路的氦气轮机的技术研究在国内外均未见报道。虽然 该技术出现很早，由于技术条件的限制，始终发展很慢。 高温气冷堆氦气轮机利用高温堆产生的高温气体直接推动涡轮机进行高 效率发电的构想，代表着当前高温堆领域的发展方向，许多国家都投入相当 的人力物力，并广泛开展国际合作进行研究和开发。高温气冷堆氦气轮机直 接循环方案是建立在闭式布雷登( b r a y t o n ) 循环的理论基础上的，与传统的 闭式布雷登循环不同的是高温堆氦气轮机循环工质由氦气替代空气、堆芯替 代燃烧室。 虽然高温气冷堆结合蒸汽轮机的技术已经成熟，但蒸汽循环无法最大限 度地利用高温气冷堆出口气体温度高的优势，而氦气轮机则可以充分利用高 温气冷堆的这一优势。因此，早在高温气冷堆发展初期，人们就开始研究氦 气轮机技术。 从1 9 3 9 年到1 9 8 2 年期间，在试验和工业应用两方面，e s h e rw y s s 公司 制造和许可生产了2 4 台闭式循环燃气轮机，其循环工质包括空气、氮气和氦 气。而燃料更为广泛，包括轻油、重油、天然气、矿气，焦炉和高炉煤气以 及核等各种燃料。而其应用范围包括船舶推进、移动核电装置、热力学加热 试验台、氦气涡轮装置等等。其中，应用氦气作为循环工质的闭式循环燃气 轮机主要是l af e l u r 、p h o e n i x 、o b e r h a u s e ni i 和h h v 氦气试验系统心乱蹦。 l af e l u r ：这个闭式循环氦气轮机系统由压气机、涡轮、加热器、换热器 和预冷器等组成，这个系统在压气机后面装有一个抽气泵使压缩氦气可以进 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 入到二回路中。为了用这种方法液化空气，工质必须在相对低的温度范围内 保持气态，所以氦气是最好的选择。l af l e u r 建立了世界上第一套氦气轮机 试验装置，并且投入运行，试验结果完全证实了这个方法的有效性。 p h o e n i x ：这套涡轮装置由e s c h e rw y s s 开发，在z u r i c h 生产，涡轮部分 的转子和静子由镍铬钛系耐热合金制造。这套系统运行良好，而且涡轮装置 完全满足性能要求。试验结果证明：装置的压气机和涡轮的气体动力学设计 是完全正确的；跟涡轮相比，压气机所需要的级数很少，这归因于高的反动 度和氦气很高的音速；氦气轮机的圆周速度不取决于马赫数而是受材料强度 的限制。 o b e r h a u s e ni i ：它由燃气加热器、氦气透平、压气机以及相关设备组成。 1 9 7 5 年投入运行。为了使实验结果对高温气冷堆氦气轮机循环系统更有参考 价值，设计时尽可能提高氦气的压力和温度参数并且选择了当时最好的材料 和部件，特别是轴密封及氦气净化系统，完全是为高温气冷堆氦气涡轮机循 环发电的要求而设计。 h - i v 氦气试验系统：它的热源来自于电机驱动的氦气压气机，1 9 8 1 年 完成了8 5 0 。c 条件下的6 0 小时试验。这套设备不仅要验证涡轮装置本身的可 行性，还要测试在闭式循环中热气管道、热交换器部件和大型的热气阀门在 高温下的性能。 南非e s k o m 公司设计的高温气冷堆核电厂采用了氦气透平直接循环方 式，由一回路出口的高温氦气冷却剂直接驱动氦气透平发电，反应堆压力为 7 m p a ，氦气出口温度为9 0 0 ，高温氦气首先驱动高压氦气透平，带动同轴 的压缩机，再驱动低压氦气透平，带动另一台同轴的压缩机，最后驱动主氦 气透平，输出电力。经过整个循环，氦气的压力将降到2 9 m p a ，温度降为 5 7 1 。为了将氦气加压到反应堆一回路的入口压力，需先经过回热器和预热 器冷却到2 7 后，再经两级压缩机将压力升高到7 m p a ，而卮回到加热器的 另一侧加热到5 5 8 。c ，回到堆芯的入口，其流程如图1 1 所示。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 反应 上黑 9 0 0 i 8 1 9 7 m p a 压缩机 压缩机 - 匕 氡气透平 压缩机 5 5 8 5 7 1 匀氦荟塞平 i 卜 回热器 伞 1 2 2 国内发展状况 。卜 1 0 4 图1 1 氦气透平直接循环流程图 清华大学核能技术设计研究院开展高温气冷堆项目已经有十几年的研究 经验，并承担国家8 6 3 高新技术发展计划重点攻关项目1 0 m w 高温气冷堆 电站项目( h m l o ) ”，主要目的是掌握高温气冷堆设计、建造和运行的技 术和经验，开展模块式高温气冷堆固有安全特性的试验研究，开展蒸汽透平 循环发电、氦气透平直接循环发电及高温工艺热应用研究。h t r 1 0 试验堆 已于2 0 0 0 年1 2 月建成并达到首次临界，一期工程利用蒸汽透平发电，已于 2 0 0 3 年1 月达到满功率并网运行心引，这是我国自主研究开发的世界上第一座 投入运行的具有良好固有安全特性的模块式球床高温气冷堆。二期工程利用 氦气透平发电系统正在进行之中，将可能推出世界上第一台闭式直接循环 氦气轮机实物。 清华大学主要是从高温气冷堆的原理、结构方面入手，而作为能量转换 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 单元，闭式循环还涉及氦气压气机，氦气涡轮，高效紧凑式换热器( 预冷器、 间冷器、回热器) ，电磁轴承等关键部件，根据国外的研究经验，对这些关键 部件应开展模块化设计，更有利于提高整个系统的经济性、可靠性和维修性。 中国船舶重工集团公司第7 0 3 研究所是专业从事舰船动力研制的科研单 位。7 0 年代曾经有过核潜艇闭式循环燃气轮机的初步方案研究；“八五”期 间完成了闭式双工质( 燃气、蒸汽) 复合循环的研究课题，。该项研究成果已 被广泛应用于国内及部分国外的电站联合循环装置：在氦气压缩机开发方面， 7 0 3 研究所为中科院长春光机研究所研制了几种型号的氦气( 含部分其它惰 性气体) 轴流和离心式压缩机，为石化企业研制过二氧化碳压缩机和氢气压 缩机，在理论设计和试验验证及加工制造等方面积累了大量的经验；7 0 3 研 究所从“八五”开始，一直承担舰用燃气轮机先进密封技术方面的研究课题， 在理论研究，试验验证及加工制造方面，已初步形成了比较完整的设计体系。 在电磁轴承研究方面，清华大学在电磁轴承与转子动力学主动控制研究 方面取得了大量研究成果；航空一集团第6 0 6 研究所和上海交通大学轴承研 究室，在电磁轴承应用于航空发动机方面作了大量理论和试验研究工作。 1 3 氦气压气机的设计方法 一般说来，设计新压气机可有三种途径瞳引： 1 全新设计这是指对压气机进行全面的气动计算，并利用己掌握的 数据和规律，特别是二维叶栅的系统性试验数据及其规律，进行各级叶片的 造型。由于气体的逐级压缩，其参数变化显著，因此，各级的工作条件相差 亦很大。为了得到高压比、高性能的多级压气机，必须针对各级不同的具体 工作条件，进行合理的逐级设计。而这第一种设计途径恰好能根据每台压气 机的具体要求和特点，以及每级在整机的不同位置及工作条件，最佳地选择 各级的设计参数及其沿径变化规律。因此，全新设计可以满足严格的气动性 能及尺寸，重量要求。 2 同型级设计第二种途径是利用同一模型级进行多级的模化组合。 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 可以只采用一种模型级，也可以采用两种或更多种模型级进行组合。组合的 方法亦有所不同：可以维持各级内径不变，从外径处切割以组成不同高度的 叶片；也可以从内径处切割，维持外径不变；或者在内径和外径处均切割。 这种方法当然会对设计和加工制造都带来方便，但是由于采用同型叶片，每 级的特点和潜力便不易充分考虑和发挥。压气机级数要增多，尺寸、重量会 加大。采用这种设计方法时往往已经有了一级或几级的单级试验的详细结果 可供利用，同时还要考虑多级组合时的各种影响因素，才能有效地进行组合。 但是，不能认为已经有了单级试验的满意结果后进行多级组合，在技术上一 定能保证成功。 3 整机模化第三种设计途径是利用已有成功的压气机母型进行整机 模化；或者在模化以后再在其前端或后端加级，以达到设计流量与压比的要 求。如果有合适、可靠的母型，这种方法当然最为简单方便，调试工作量也 会相应减少，研制进度比较快。因此它在工程上得到了很广泛的应用。采用 整机模化的先决条件是要有成熟的、性能优良的母型；同时又要充分注意模 化的严格性和合理性。 因为氦气跟空气物性相差较大，所以需要打破原始空气叶型分布规律， 采用全新设计方法，进行氦气压气机设计。氦气压气机全新设计目前有两种 方法，一是利用现有的空气叶栅吹风试验数据，通过相似理论进行转化。二 是进行大量的氦气叶栅吹风试验，利用大量氦气平面叶栅试验所获得的数据 为依据，得到速度三角形和叶栅几何参数之间的规律来进行叶栅的设计。 目前，已经有很多人开始氦气轮机相似理论的研究旧3 3 1 ，文献 2 9 】根据平 面叶栅计算结果，得到：在低马赫数下，氦气和空气在平面叶栅中的流动是非 常相似的；根据单级和多级压气机计算结果得出：在低马赫数下，依据进口 比容比相等条件得到的氦气和空气之间的相似模化方法是可行的。文献 3 3 】 根据理论分析得出；氦气和空气工质无法完全相似模拟，在马赫数较小的情 况下，可以采用等雷诺数，进出口比容比相同等相似准则进行模拟。但是本 文为高负荷叶型设计，氦气和空气在平面叶栅中的流动在较高马赫数时将不 哈尔滨工程大学硕士学位论文 再相似。 对于空气叶栅试验，许多航空发达国家都进行了这方面的研究，并拥有 自己的标准系列化叶栅设计数据库。如美国的n a c a 6 5 系列，英国的c 4 系 列及原苏联的b c 6 系列等。在亚音速压气机设计方面，现在基本上都是采 用这种已有的叶栅吹风数据来设计，成功的例子很多，设计经验也非常丰富， 但是氦气吹风试验目前数据却很少。鉴于近年来采用数值模拟方法和实验研 究相结合己成为研究流体力学的重要手段，所以本文先进行氦气新型叶栅的 数值模拟，得到高性能的叶栅后再进行平面叶栅吹风试验，从而大大缩短研 究周期、减少研究经费。 1 4 论文主要研究内容 本课题拟通过研究不同于空气的全新的速度三角形和全新的高负荷叶 型，发展较高亚音速、大转折角、高压比氦气压气机新型设计技术，使其级 数和长度成几倍地减少，同时压气机效率维持在许可范围内，解决目前按照 空气规律设计的氦气压气机存在的级数太多、太长、匹配难等问题。 具体工作包括： 1 高马赫数氦气压气机新型基元级最佳速度三角形理论研究：采用全新 的速度三角形这种思路在俄罗斯研究者的著作中描述过，本课题的提出基于 该著述的启发。根据材料强度水平确定轮周速度的典型值；论证拟定叶型负 荷与损失的折衷优化最佳目标原则；应用已有的空气经验模型，初步定性估 算高负荷新型叶型的流动损失和稳定性；研究加功量、进气马赫数、轴向速 度、反动度、叶栅稠度等参数变化的影响；给出初步的最佳速度三角形研究 范围，据此得出下一步叶型研究的目标及其范围。 2 气动造型设计理论及方法研究：选用原始c - 4 叶型厚度分布，圆弧中 弧线，基准最小损失冲角和落后角按照文献 3 4 q u 的方法确定。 3 c f d 数值计算研究：在对所选湍流模型和网格划分首先进行了校准的 基础上，采用f l u e n t 6 3 流体分析软件，对新型氦气叶栅流场进行了数值模 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 拟，并对计算结果进行详细分析。在得到的数值模拟计算结果的基础上考虑 叶栅最大相对厚度比对叶栅性能的影响。 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 第2 章氦气压气机气动特点 2 1 氦气的基本特性 1 氦气的物性： 氦是周期表零族元素，是无色、无味，无臭的稀有气体，其分子量为 m h 。：4 0 0 2 6 x1 0 。k g m o l ；标准大气压下沸点t b = 2 6 8 9 4 c ；熔点t n l 2 6 7 9 6 c ； 气体常数r = 2 0 7 7 2 5 j k g k ：临界压力p 。r - 0 2 2 6 9 5 m p a ：临界密度 p e r = 6 9 3 k g m 3 。氦分子是单原子分子，其仅重于氢，空气比氦重7 2 5 倍。氦 极难溶于水，1 0 0 体积水在o 时只能溶解1 体积的氦”弭i 。 氦气在o 至3 0 0 0 ，0 1 至1 0 m p a 范围内非常接近理想气体，其比热c 。 和绝热指数鬈几乎为常数，c 。= 5 1 9 3 1 k j k g k ，r = 1 6 7 。与空气或燃气相比， 氦气具有较高的比热( 约为空气的5 倍) ，因此在同样温差条件下氦气的压缩 比较小，并且在同样输出功率条件下氦气的质量流量小。氦气还具有较好的 传热特性和较小的摩擦特性，有利于提高换热器效率，减小换热器体积。 氦是惰性气体，迄今未能迫使它参与任何反应。 氦分子不是极性的，分子之间相互作用力不大，比其它任何分子之间的 相互作用力都小。因此，临界值最小，沸点最低，蒸发热和熔解热最低。氦 的熔解热在常压下是不存在的，液态氦即便接近绝对零度也不凝固，如果不 加压力，在任何温度都不能获得固态氦。 氦具有异常的穿透力，能够异常迅速地穿透某些有机聚合物、陶瓷、石 英玻璃和硼硅玻璃这些材料制的薄板。氦能穿过多种金属，但不能穿透铁和 铂族金属( 甚至是赤热的) 。从天然气回收氦的方法之就是根据选择穿透性 原理。 2 氦气与其他工质热物性的比较 标准大气压1 0 1 3 2 5 k p a ，3 0 0 k 情况下，氦气和其他几种工质的热物性的 哈尔滨工程大学硕士学位论文 比较如表2 1 所示。 表2 11 0 1 3 2 5 k p a ，3 0 0 k 条件下几种工质热物性的比较协6 分子气体常数热导率密度定压比热动力粘性等熵 量 【i o ( k g k ) 【w ( m k ) 】( k g m 3 ) k j ( k g k ) 】系数 p e a - s 】 指数 氦气 4 0 0 32 0 7 7o 1 5 2 70 1 6 2 5 35 1 9 31 9 9 31 6 6 7 氮气2 8 0 20 2 9 6 80 0 2 5 9 81 1 3 8 2 1 0 4 l1 7 8 71 4 0 0 空气 2 8 9 60 。2 8 7 10 0 2 6 1 41 1 7 6 31 0 0 71 8 6 21 。4 0 2 二氧化碳 4 4 0 1o 1 8 8 90 0 1 6 5 51 7 9 6 50 8 5 4 81 4 9 l1 3 0 0 氩气 3 9 5 00 2 0 8 1o 0 1 7 6 71 6 2 3 7o 5 2 1 52 2 7 l1 6 6 7 氢气 2 0 1 64 1 2 4o 1 8 1o 0 8 1 8 31 4 3 18 9 61 4 0 9 氧气 3 2 0 00 2 5 9 80 0 2 6 2 91 3 0 0 70 9 2 02 0 7 21 3 3 9 从表2 1 中可以看出，与其他工质相比，氦气有下列的物理性质：导热 性强、原子量小、气体常数大、比热大、气体密度小、等熵指数大，动力粘 性较大。 氦气的这些特殊的热物性对气体透平循环的影响为： ( 1 ) 气体密度小，因此需要很高的循环压力，以增加其密度： ( 2 ) 等熵指数大，因此在相同的温差下，其压比较小，也就难于压缩； ( 3 ) 比热大，因此在相同的温差下，循环比功大，透平的膨胀功和压气机 的压缩功都比其他气体大。 2 2 常规叶型设计的气动特点 本文所指常规叶型设计是按照空气压气机常规速度三角形进行的叶型设 计。常规空气压气机叶型设计方法大体过程是：在一条直线上，加上对称的 厚度分布，按照气流进、出口速度三角形加弯成型。通过改变最大厚度及其 位置，构成系列叶型，然后对叶型进行系列化平面叶栅吹风实验，根据叶栅 性能参数来指导叶片的设计，如图2 1 所示。 氦气压气机目前采用常规叶型设计方法，气流马赫数低和单级压比小是 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 其特点。 - 门 ， i i _ , t ， 叫ll l ，一t 、入 2 2 1 气流马赫数低 图2 1 传统的压气机造型方法示意 采用常规叶型设计的氦气压气机，其速度三角形与空气类似，轮周速度 受转子强度限制，也与空气压气机相当，因此氦气气流速度与空气压气机相 当。但是，相对于空气，氦气具有很高的音速，是空气的3 倍多。因此，氦 气的马赫数很低，临近不可压缩流体。而从图2 2 可以看出，在低马赫数下 ( m o 5 ) ，压气机叶栅的总压损失系数随马赫数的变化是很小的。在1 0 。 - - + 1 0 。气流冲角范围内，总压损失系数的变化基本在一条直线上，所以叶型高 效区宽，气动性能稳定。 对于现在各种常用的原始叶型，基本都是通过低速空气吹风试验得到。 试验证明，在低马赫数情况下，各种原始叶型的性能是相差不大的。 啦 ” 。 肛 。 惦 叩 。 啦h一。” 。卫啦 。 咿h一叩 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 2 亚音速压气机叶栅的总压损失系数在不同m 数时与冲角的关系曲线 而对于叶片的沿径扭转设计，因为等环量流型设计容易把握和成功实现， 在轴流压气机中有着广泛的应用。但等环量扭曲规律的缺点是，当轮毂比很 小、叶片很长时，动叶叶尖相对进气马赫数和静叶根部绝对进气马赫数 尥。容易超限，这将导致压气机效率下降7 1 。因此，气流马赫数低的另一个好 处是，可以使用等环量沿径设计而不用考虑马赫数太大的问题。 2 2 2 单级压比小 氦气分子量不到空气分子量的1 7 ，对于压气机来说，压缩工质的分子量 越小，气体越难于压缩，对应的压气机通流设计差别越大。文献 3 7 】指出， 在相同的占k 值和其他条件下，在压气机中压缩1 公斤氦气所必需消耗的功 约比压缩1 公斤氮气所必需消耗的功大4 倍。 因此，对于单级压气机，在同样的耗功下，氦气压气机的级压比要比氮 气或空气压气机小很多。这样，在相同的sk 值和其他条件下，设计具有一般 的级压头( 对空气压气机来说) 的氦气装置的轴流式压气机，会使级数几乎 增加了4 倍。 2 3 氦气叶栅的特点 氦气工质具有如下几个优点： 1 对于高温气冷堆，氦气是惰性气体，不会和堆芯工质反应，并且具有 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 中子吸收面积大的特点； 2 使用氦气工质，可成倍减小换热器的面积和体积； 3 对于燃气轮机，使用的各种材料不会有氧化、热腐蚀的问题。 氦气叶栅具有特殊的要求1 ： 1 氦气是难压缩气体，因此在同样热力循环条件下，氦气轮机叶片级数 要比燃气轮机多许多。为了适当减少级数，氦气轮机叶片系统载荷系数可略 高于燃气轮机。 2 高温堆氦气轮机循环是高压闭式循环，体积流量较小，因此氦气轮机 叶片高度与同样热力循环条件下的燃气轮机相比要短许多。若发电机与氦气 轮机同轴，并与电网同步，转速为3 0 0 0 r m i n 。此时若反应堆功率在1 0 0 m w 以上，高压压气机叶片高度大于l o m m ，原则上可加工；反之则很困难。 2 4 空气试验的经验公式对氦气压气机的适用性问题 在轴流压气机气动设计中，最为重要和具有指导意义的是压气机平面叶 栅试验吹风数据，但目前国内还没有设计氦气压气机的例子，而所能找到的 国外相关设计也基本是一些概念设计。因此，在这方面的经验和相关参考基 本上都是一片空白，更不可能查到相关的压气机叶栅特性曲线，只能参照以 往空气压气机设计经验和相关特性曲线来指导氦气压气机的气动设计。 但空气和氦气的性质毕竟相差较大，能不能完全应用空气试验的经验公 式来设计氦气压气机，还有待进一步的研究和通过氦气试验验证。 2 5 本章小结 本章首先介绍了氦气的基本特性，明确了氦气区别于空气的显著特征，分 析了常规叶型下设计氦气压气机的几个气动特点气流马赫数低和级压比 小的问题。介绍了以氦气为工质的优点以及氦气叶栅具有的特殊设计要求， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 然后对氦气压气机设计的问题空气试验的经验公式对氦气压气机的适用 性问题作了相应的介绍和分析。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 1 引言 第3 章新型基元级的理论研究 一排动叶栅与紧跟其后的一排静叶栅，构成压气机的一个级，这种首尾 相接、串联而成的各个级，构成轴流压气机的通流部分。只要掌握了级中的 气流流动特点与增压原理，即可了解其他各个级以至整台多级压气机的工作 原理。而压气机的级是由无数半径不同的基元级叠加而成的。因此研究压气 机中的流动与工作原理可先从基元级着手。 氦气的和空气的气体动力常数相差很多，通常由强度和装置可靠性决定 的圆周速度值( u = 3 0 0 米秒) 在必要时可以减少，但无论如何不能增加。所 以在氦气压气机中应用与空气压气机级相似的速度三角形是不能实现的，因 为这时圆周速度将差不多增加2 倍多，这是不允许的。 氦气在相同的加功量下获得的压比较小，欧拉功： h = u a c 。= c p t i ( 兀( k m 1 ) 1 1 ( 3 - 1 ) 其中，u 为轮周速度，a c 。为扭速，t l 为进1 3 温度，7 【为压比，1 1 为等熵 效率。由于氦气的c 。和k 值较大，在相同的h 、t l 、t 1 值下，空气达到级压比 1 2 时，氦气只能达到级压比1 0 2 6 ，空气达到整机压比2 0 时，氦气只能达到 整机压比1 7 9 。 对燃气轮机( 布雷登) 循环性能起实质作用的是过程的温比，而不是过 程的压比，压缩过程的温比x = l + ( n ( k q ) i 【1 ) r l ，所以，当达到与空气压比2 0 对 应的相同温比时，氦气压比只需8 5 ，不需要达到2 0 那么高的值。但即使仅 需要达到8 5 压比，由于氦气定压比热是空气的5 倍，若采用与空气压气机 相同的级加功量设计，空气压比2 0 需要1 8 级时，则氦气压比8 5 需要级数 达到9 0 级之多。 以上论述了氦气压气机的压比选择趋势和级数问题9 1 。为提高氦气压气 机级压比，文献 3 7 】介绍了一种“建议的氦气压缩机级的速度三角形”，本章节 哈尔滨工程大学硕士学位论文 对由此种速度三角形构成的新型基元级性能进行了初步研究。 3 2 大转折角叶栅 从前面的问题分析可以了解到，相对于空气，氦气是一种很难压缩的气 体。如果按常规的空气压气机叶型设计方法和参考值来选择各项参数，又要 满足高效率的要求，那单级压比将会很低，而最后设计的满足整机压比的氦 气压气机，将会有很多的级数和很长的轴向长度。如果在保持常规流量系数 的情况下，提高单级压比，减少氦气压气机的级数，那就需要提高反动度， 以及增大稠度，但这将会使效率降低和引发前面提到的问题。 因此，为了提高压气机的级压比，另外的方法就是采用大转角的亚音速 级设计，应用大弯度的叶栅。 图3 1 氦气压气机基元级速度三角形引 口一可能的氦气压气机的速度三角形，t i = 3 0 0 k ；u k = 3 0 0 r n s ；p l ( = 0 5 ；b 肛1 o ； m 1 却8 ；i = 2 4 0 ；瓦。0 3 4 5 ；6 = 8 。1 0 ；届27 4 。3 0 ；岛28 2 。2 0 ； 仃一建议的氦气压气机的速度三角形，t l ，u k ，p k ，卧和m 1 w 与a 中相同； 一c o = 2 1 4 ；瓦= 1 5 6 ；占= 3 8 。；p i m p - 6 0 。；岛= 9 8 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 么。 、 f 戮 、 f 1、 、 i l 图3 2 空气和氦气的级叶片效率与流量系数关系” ( o k = 0 5 ；b t - = 1 0 ；u k = 2 7 3 m s ；t t = 2 8 8 k ) 图3 1 为氦气压气机基元级速度三角形，左图为常规亚音速压气机的正 预旋方式，反动度为o 5 ，为了保持0 8 的马赫数，其轴向速度很高，这就导 致其流量系数很大，达到了2 4 。但其转角还是很低，不到1 0 。，这也使得其 能量头系数仅为0 3 4 5 。而右图为反预旋方式，也即是所谓的大转角叶型。可 以看出，虽然其各项参数基本和正预旋方式相同，流量系数小于正预旋方式， 为2 1 4 ，但其转角为3 8 。，能量头系数为1 5 6 ，大大高于正预旋方式。 一般在常规空气压气机中，流量系数是小于1 的，为了保持高效率，通 常范围在0 2 o 7 之间。如图3 2 所示，当流量系数大于o 7 5 后，其效率将会 急剧下降。而从图中可以看出，氦气的流量系数范围要比空气宽广和平缓的 多，这也说明氦气压气机可以选用大的流量系数。 因此，如前面所述的，和空气相比，在相同的占k 值和其他条件下，压缩 单位氦气所必需消耗的功差不多大4 倍，但是级压头也可以增加几乎相同的 倍数，这样，当采用大转角叶型设计时，可以把氦气压气机的级数做成和常 规空气压气机相同。 1 9 哈尔滨工程大学硕十学位论文 3 3 基元级的无量纲特性参数和叶栅稠度的选取 基元级的速度三角形，工作过程的焓熵图以及气流压力、速度等参数的 变化情况，都可以与基元级的反动度、能量头系数和流量系数等无量纲特性 系数联系起来，而且有着彼此相对应的关系，这三个无量纲特性参数分别从 不同的角度说明了基元级中气体流动及能量分配和转换的基本特点，并且反 映了静叶和动叶、叶片圆周速度和气流周向速度的变化以及叶片圆周速度和 气流轴向速度的大小在基元级工作过程中所起的作用。 基元级的最佳设计问题实质上是最合理的选择这三个无量纲特性参数的 问题，因此为了便于对气体在压气机基元级中的流动作进一步的分析，本节 对这三个基本的无量纲特性参数进行合理选取，并对叶栅稠度进行合理选取。 3 3 1 级的反动度 级的反动度q 反映了动叶中用于压力势能转换的能量和整个级( 即动叶 和静叶) 用于压力势能转换的能量的比值，把它和速度三角形联系起来后， 一定的反动度就对应着一定的速度三角形。反动度定义为： ( 3 - 2 ) l 。轮缘功，代表气体流经动叶和静叶发生的压力势能转换的总和h 0 1 。 反动度值过大，说明气流在动叶中减速扩压的任务过于艰