（轮机工程专业论文）氦气压气机基本特性及叶栅性能实验.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 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 温气冷堆产生的高温氦气直接推动涡轮做功进行高效率发电。目前，高温气 冷堆能提供9 0 0 。c 的高温热源，蒸汽循环难以充分发挥高温氦气的优势，循 环效率得不到提高。因此，高温气冷堆氦气轮机成为发展的主要方向。高温 气冷堆和氦气轮机分别代表着当今核能和常规发电的先进技术。它是核电领 域中的全新概念，为提高核电安全性和经济性能提供了新思路，有很强的竞 争优势。目前，世界上对高温气冷堆气体透平循环的研究可分为两大类：一 是对其进行工程上的实际设计；二是提出气体透平循环的各种概念和设想。 本文就是通过实验的方式对氦气压气机的设计特点和性能进行初步探索 主要是在实验的基础上进行理论分析，模拟仿真，希望找到氦气压气机和空 气压气机的相似点。我们搭建了小型离心式压气机闭式循环实验台，在相似 理论的指导下进行压缩氦气和压缩空气通流实验，处理实验所得数据并检验 其他设计氦气压气机必备的相似准则。在进行压缩氦气的同时进行了氦气叶 栅实验，最后进行了叶栅仿真数值模拟。 关键词：高温气冷堆；氦气轮机；闭式循环；氦气压气机 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t mm o d u l a rh i 曲t 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 ) i n c o r p o r a t e dw i t h h e l i u mt u r b i n ei sc o n s i d e r e da so n eo ft h el e a d i n gc a n d i d a t e sf o rf u t u r en u c l e a r p o w e rp l a n t s n o w a d a y s ，h t g rc a np r o v i d e t h eh e a ts o u r c ea tt h e t e m p e r a t u r eo f9 0 0 c l i m i t e db yt h et e m p e r a t u r eo ft h ew o r k i n gf l u i d ， s t e a mt u r b i n ec y c l ec a n n o tm a x i m i z et h ee c o n o m i cp o t e n t i a lo fh t g r 1 1 1 e h e l i u mi sa ni d e a lc o o l i n gf l u i df o rt h er e a c t o rd u et oi t sc h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i c s h e l i u mt u r b i n ec y c l eh a sn os u c hl i m i t a t i o n ，a n ds u c h k i n do fn u c l e a rp o w e r p l a n ti so fh i g h e re f f i c i e n c yc o m p a r e dw i t hc o n v e n f i o m ln u c l e a rp o w e rp l a n t b e c a u s eo ft h eh i g h e rh e l i u mt u r b i n ei n l e tt e m p e r a t u r e c o n s e q u e n t l y , i ti s e x p e c t e dt ob eac o m p e t i n gc a n d i d a t ef o rf u t u r ec o n c e p t so fh i g he f f i c i e n c y p o w e rg e n e r a t i o n a n dt h e r ea r et w ow a y st od or e s e a r c ha b o u th e l i u mt u r b i n e c y c l ei nt h ew o r l d t h eo n ei s t od e s i g ni ti nt h er e a lp r o j c o t ；t h eo t h e ri s m a i n l ya b o u tt h ec o n c e p ta n dt h es u p p o s i t i o n t h i sa r t i c l ew i l ld ot h eb a s i cs t u d ya b o u tc h a r a c t e r i s t i co ft h ed e s i g n a n dt h ep e r f o r m a n c eo ft h eh e l i u mc o m p r e s s o rt h r o u g ht h ee x p e r i m e n t ，i t w i l la n a l y z et h et h e o r y , d ot h es i m u l a t i o no nt h eb a s i so ft h ee x p e r i m e n t ， e x p e c t i n gt of i n dt h es i m i l a r i t yo f t h e a i rc o m p r e s s o ra n dt h eh e l i u mc o m p r e s s o r w eb u i l dt h ee x p e r i m e n tb e n c hw h i c hw i l lu s es m a l lc e n t r i f u g a lc o m p r e s s o rt o c o m p r e s sh e l i u mi nac l o s e dc y c l e ，t h e nd ot h ec o m p r e s sa i ra n dc o m p r e s sh e l i u m c l o s e dc y c l ee x p e r i m e n to nt h eb e n c h t h e nw ea n a l y z e dt h ed a t aa n dh a dt h e c o m p r e s s o r sc h a r a c t e r i s t i c so fc o m p r e s s i n ga i r a n dc o m p r e s s i n gh e l i u m ，a n d a n a l y z e dt h es i m i l a r i t yo fc o m p r e s s i n gd i f f e r e n tm e d i u mi nt h es a m ec y c l ew i t h t h es a l n ec o m p r e s s o r t h e r eh a sab l a d ee x p e r i m e n ta l s o a n dd ot h es i m u l a t i o no f t h ef i e l do f t h ev e l o c i t ya n dt h ep r e s s u r eo f t h eb l a d e k e yw o r d s ：h 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 e l i u mt u r b i n e ；c l o s e dc y c l e ； h e l i u mc o m p r e s s o r 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 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、 数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对 应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经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，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人 承担。 作者( 签字) ： 日期：2 7 年多月21 日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 物质，能源，信息是构成当今世界的三大基石。能源，就世界范围而言， 当前发电、取暖、交通和工业生产所消耗能源的8 5 来自煤炭、石油、天然 气等化石燃料“”。化石燃料是非可再生资源，已经面临着枯竭，而且由于 使用化石燃料所释放的温室气体是全球变暖的罪魁祸首啪跚。核能，是一种 取之不尽，用之不竭，又没有污染，最干净，最高效的能源；但能否使用好 核能，是对一颗文明星球的检测。 纵观人类使用核能之路，从压水堆，沸水堆，重水堆，气冷堆，高温气 冷堆，反应堆的安全性一直是必须考虑的因素。世界各国都在不断努力提高 反应堆的安全性，模块式高温气冷堆正是在这个背景之下产生的新堆型“伸1 。 高温气冷堆能量转换主要有两种形式：一是通过热交换器将高温气体的能量 传给二回路的水，用来产生水蒸汽推动汽轮机发电；另外一种是气体透平循 环，即氦气直接推动气体透平做功“1 。由于气体透平能够充分发挥高温堆的 高温特性，因此目前世界各国对高温堆发电方案的研究都集中在气体透平循 环方案8 1 埘。 而高温堆气冷堆氦气循环具有以下优点“1 ： 1 能直接利用反应堆出口温度，使工质具有较高的温度这使高温堆氦气 循环的热效率明显大于轻水堆和重水堆蒸汽机的热效率，约为4 5 5 0 。 2 氦气循环的工作压力低于蒸汽循环的工作压力。 3 氦气具有良好的热物理性质，它的比热容约为水蒸气的2 4 倍。1 ，空 气的4 7 倍吲，其导热系数约为空气的5 6 倍旧，而氦气的运动粘性系数大。 因此可以设计出温度差小，压力损失小的回热器和中间冷却器。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 4 高温气冷堆氦气循环采用闭式循环“”c l z , 整个机组可在保持工质的工 作温度不变的情况下，通过改变涡轮前工质压力的方法来调整负荷。当负荷 变化范围很大时，机组能始终保持在高的热效率下运行。这样的机组不仅在 基本负荷下运行有较高的热效率，而且在负荷发生急剧变化时机组仍具有较 好的经济性”1 因此，高温气冷堆氦气透平直接循环成为核能发电领域的主要发展方向。 它是核电领域中的全新概念，为提高核电安全性和经济性能提供了新思路， 有很强的竞争优势“3 。值得一提的是，模块式高温气冷堆这项革新技术的应 用，使闭式循环燃气轮机具有很大的发展前景，模块式高温气冷堆和氦气轮 机的结合很可能造就出新一代的燃气轮机。氦气压气机是氦气轮机的关键部 件，但国内外单独针对氦气压气机的研究很少，都是针对氦气透平直接循环 进行研究。我们实验室希望从实验的角度找到压气机压缩氦气压缩空气的相 同的规律，使氦气压气机可以借鉴空气压气机的理论和实验资料，为氦气压 气机的研究贡献微薄的力量。 1 2 国内外研究现状 高温堆气体透平循环是将气体透平与模块式高温气冷堆相结合，利用高 温堆产生的高温气体直接推动气体透平进行高效率发电的构想”1 。此方案代 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。高温气冷堆氦气透平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，其简单示意图如图1 1 所示。与传 统的闭式布雷登循环不同的是高温堆气体透平循环工质由氦气替代空气、堆 芯替代燃烧室伽。工作过程为：低温氦气经压气机压缩后送入堆芯加热，加 热后的氦气出来进入气体透平膨胀做功，带动发电机发电，做功后的氦气经 余热回收或直接冷却后重新进入压气机，如此反复循环。 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图1 1 高温堆气体透平循环的简单示意图 气体透平循环不但简化了循环的结构，也大大提高了循环的效率。将循 环效率从原来的3 0 提高到现在的4 5 5 0 ，堆芯功率也提高到1 0 0 3 1 0 m w 。因此，目前世界上几种典型高温堆设计方案中的循环方案均采用气体 透平循环，下面对高温堆气体透平循环的发展及现状加以介绍。 1 2 1 国外研究现状 1 德国的h h t 虽然高温气冷堆结合蒸汽透平循环的技术已经成熟，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，而氦气透平则可以充分利 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 究氦气透平技术，其中最重要的是德国的h h t ( h t r w i t h h e l i u m t u r b i n e ) 研究计划。另外，在高温气冷堆工艺热应用( p n p ) 计划中，也对氦氦热交 换器、热气导管、氦气净化等做了大量研究，如在德国的k v k 部件实验回 路、e v a i i 氦净化实验装置、h e n d e l 氦气工程示范回路上的一些实验研究。 在1 9 6 8 年至1 9 8 1 年间，德国与美国和瑞士合作，并在一些电力公司的 支持下，完成了针对氦气透平动力转换系统的h h t 实验计划。该计划的目的 是研究用氦气透平实现高温气冷堆发电的技术，包括透平、压气机、热气导 管、材料、换热器以及其它部件技术。在该计划框架内，建造并运行了两个 哈尔滨工程大学硕士学位论文 大型实验设备。第一个是位于德国o b e r h a u s e n 的“氦气透平热电联产实验装 置( e v o ) ”。它由燃气加热器、氦气透平、压气机以及相关设备组成。热功 率为1 6 0 m w ，电功率和区域供热功率输出分别为5 0 m w 和5 3 m w ，1 9 7 5 年 投入运行。为了使实验结果对高温气冷堆氦气透平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透平循环发电 的要求而设计。第二个是位于德国k f a 的“高温氦气实验装置( h h v ) ”。 其目的是实验各种大尺寸部件以便能用于高温气冷堆氦气透平直接循环系统 中。它的热源来自于电机驱动的氦气压气机，设计参数为：氦气流量2 0 0 k g s ， 反应堆出口温度在8 5 0 左右( 可短时间达到1 0 0 0 ) ，出口压力5 m p a 。1 9 8 1 年完成了8 5 0 条件下的6 0 小时试验。 利用这两套设备，在正反两方面都取得了许多宝贵的经验。e v o 设备的 初始试车遇到了许多困难，特别是没有达到设计的5 0 m w 电功率水平。出现 这些问题的原因后来都搞清了，问题也得到了很好的解决。实验表明，氦气 透平能够连续可靠地运行。h h v 设备在开始时也遇到了问题，如油进入主氦 气回路、氦气泄漏率过大等，但都较好地解决了。在两套设备上所做的研究 开发工作是成功的，其结果对高温气冷堆氦气透平直接循环的可行性是一个 强有力的支持。虽然h h t 计划后来中止了，实验设备也关闭了，但该计划已 给出了一个重要的结论：在透平机械实验设备中未发现无法解决的技术问题。 2 美国的m i t 上世纪9 0 年代初，在美国能源部的资助下，舡t 开展了模块化高温气冷 堆( m g r ) 氦气透平循环电厂的研究工作，提出了两种技术方案，即直接氦气透 平循环方案( m g r - g t ) 和间接氦气透平循环方案( m g r g t i ) 。两种方案都是 基于当时已有的材料和技术水平设计的。按照概念设计结果，两种方案的发 电效率均能达到4 5 以上，最高可达到5 0 5 ，而费用要明显低于高温气冷堆蒸 汽电厂或化石燃料电厂。研究结果表明，燃料和结构材料的发展将会使 m g r g t 直接循环更具优势，而m g r - g t i 间接循环则在当时更容易获得执照 3 南非的p b m r 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 南非有两座轻水堆，占其总发电量的5 。考虑到与煤电的比较以及其 他一些因素，南非决定发展高温气冷堆。p b m r 就是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，其能量转换系统的主要特点是采用多轴布局。 p b m r 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。 循环过程为：氦气经过两级压缩后进入反应堆堆芯被加热至9 0 0 ，这一高 温高压氦气直接进入透平，冲击气体透平做功，气体透平带动发电机发电同 时也带动压气机压缩氦气。气体透平的尾气仍然具有较高温度( 5 0 0 ) ，经 过回热器低压侧后将热量传输给高压侧氦气，然后进入预冷器降至低温。低 温氦气进入带有间冷器的压气机组，然后被压缩成高压氦气。高压氦气经回 热器高压侧后被加热至接近气体透平的排气温度，然后再进入反应堆堆芯重 复被加热过程。 4 美俄合作的g t - m h r g t m h r ( g a st u r b i n e m o d u l a rh e l i u mr e a c t o r ) ，是在原删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，设计的热功率6 0 0 m w ，柱状 堆。概念设计主要由美国g a 公司和俄罗斯o k b m 研究院合作完成，另外还有 法国的法玛通，日本富士电力等。美国能源部将g t 一删r 作为防止武器级钚 扩散的反应堆加以支持。 g t 一删r 的概念性设计于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，采用的是单轴布局，即发电机、透平、高低压压气机都 处于同一轴线上，结构紧凑，运行、控制、调节、和装卸简单。 1 2 2 国内研究现状 m r 一1 0 ( i o m wh 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 rt e s tm o d u l e ) 为中国清华大学核能技术设计研究院主持设计并建造的高温气冷实验堆。于 2 0 0 0 年达到临界，并于2 0 0 3 年实现满功率运行，其发电循环采用蒸汽透平 循环“”。建成后将验证模块化高温堆的技术及安全特性，为核能供热及氦气 透平循环发电建立实验基础。1 0 兆瓦高温气冷实验堆的设计吸收了国际上成 哈尔滨工程大学硕士学位论文 功运行的高温气冷堆的经验和新近发展的模块式高温堆的先进概念，采用了 肩并肩式的紧凑布置，包覆颗粒球型燃料元件，燃料连续装卸运行方式，全 微机化保护系统与纵深防御原则，具有在事故下能自动停堆、非能动排出剩 余发热等一系列先进技术特点。主要技术特点如下“”： 1 球床堆，使用包覆式燃料球 2 确保在任何事故情况下堆芯温度不超过1 6 0 0 1 3 3 反应堆和蒸汽循环的组件分别位于不同的压力容器内 4 不需要能动的堆芯冷却系统，余热靠非能动的传热机理排出 5 整个堆芯由石墨组成，没有金属组件 6 燃料球多次通过堆芯使用，获得更大的燃耗( 反应堆运行期间，由核 变换引起的核元素浓度的减小燃料释放的能量) ，也就是深燃耗。 关键技术的选择主要有以下3 个方面： 热力循环方案：高温气冷堆氦气轮机直接循环是一个以高温堆为热源的 布雷登循环，并带有回热、预冷和间冷过程。 单轴或多轴结构方案：二者各有优缺点。对于该项目来说，由于指导思 想是尽可能地利用原有的h t r - 1 0 蒸发器压力壳，因此选择单轴结构。 透平发电机组转速：h t r - i o 的功率相对商用堆来说非常小，因此氦气体 积流量也非常小。若要将透平发电机组设计成为3 0 0 0 r p m ，一种方法是增大 叶轮直径，此时叶轮直径达2 m 左右，但是由于氦气体积流量很小叶片太短根 本无法加工；另一方法是增大叶片级数，透平、高压压气机和低压压气机各 自的级数都达几十级，但是由此而产生的转子动力学困难当今还无法克服， 所需的超长竖直压力壳也是不现实的。因此h t r 一1 0 透平发电机组的设计只 能采用高转速1 5 0 0 0 r p m ，发电机发出的高频电能通过交频器转换成5 0h z 电 能后再上电网。 尽管h t r - i o 在上述方面与商用堆电厂不同，但是在h t r 一1 0 的基础上完 全能够对高温堆氦气透平直接循环发电技术进行深入的研究，为将来商用堆 电厂的研发奠定扎实的技术基础。现在清华大学正与国内的很多单位合作研 制与3 0 兆瓦高温气冷堆配套的氦气压气机透平等设备。其中7 0 3 所高温气冷 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 堆氦气透平压气机组研制项目是h t r - 1 0 二期工程的一项关键内容，其目的 是研制一套以氦气为工质的透平压气机组，包括高低压压气机、透平、进出 口密封组件和发电机联轴节等，替代h t r - 1 0 现有的蒸汽透平发电系统，实 现直接气体透平循环发电 1 3 本文的主要研究内容 目前，世界上对高温气冷堆气体透平循环的研究可分为两大类：一是对 其进行工程上的实际设计；一是提出气体透平循环的各种概念和设想。 由于氦气和空气物性差异很大，必然导致氦气压气机和空气压气机的很 大差异，针对空气压气机的基础理论和基础实验前人做过很多，而对氦气压 气机的基础研究很少，本文就是通过实验的方式用g j l 0 0 离心式压气机压缩 氦气压缩空气，对实验所得数据进行分析对比，希望找到压缩氦气压缩空气 的相似之处，做一些基础研究，在理论和实践上进行一些积累，而如能找到 压缩氦气和压缩空气的相似之处，在设计氦气压气机时就可以使用空气压气 机的理论和实验研究结果，其意义是很大的。 首先对压气机实验基础理论进行整理，并以c 4 叶栅为原始叶栅制造出供 实验所需的叶栅装置。 然后是搭建闭式压缩氦气压缩空气循环实验台，以电动机为原动机，带 动压气机产生压差，进而构成循环，用换热器冷却循环中的气体，在相似理 论的指导下进行压缩氦气和压缩空气通流实验，处理实验所得数据并检验其 他设计氦气压气机必备的相似准则和重要参数。 在进行压缩氦气的同时进行了氦气叶栅实验，最后进行了叶栅仿真数值 模拟。 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章压气机实验相关理论研究 氦气压气机是高温气冷堆气体透平循环中的关键部件。在原理和技术上， 氦气压气机与开式循环中成熟的空气压气机是相似的。由于氦气与空气在物 性上存在着差异，这将导致氦气与空气压气机在设计上的差异。空气压气机 是在大量理论实验的基础上才得以技术成熟，而在氦气压气机方面的基础研 究很少。目前，世界上还没有成熟的氦气压气机组产品，氦气压气机组的设 计和研究尚处于初步阶段。本章将从氦气的热物性，压气机变工况，压气机 特性曲线，叶栅基础理论等方面进行探讨，为后续的实验做准备。 2 1 氦气的热物性 1 氦气的物性 氦气在0 - 3 0 0 0 ，0 1 - 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r 几乎为常数，c 。= 5 1 9 3 1 k j k g k ，r = 1 6 7 “”，动力粘度 z = 1 9 9 3 x 1 0 。6p a j 。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；与空气相比，虽然氦气动力粘度系数和空气动力粘 度系数相差不大，但由于氦气密度很小，所以氦气运动粘度系数比空气运动 粘度系数要大( 约为7 倍) 。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。 2 氦气与其他工质热物性的比较 标准状态下，氦气和其他几种工质热物性的比较如表2 1 所示。 s 哈尔滨工程大学硕士学位论文 表2 1 标准状态( 1 a t m ，o ) 下几种工质热物性的比较 分子气体常数热导率密度定压比热 动力粘度系数 等熵 量 【i o ( k g k ) 】【w ( m k ) 】( k g m 3 )【k j ( k g k ) 】 ( 1 0 。p a j ) 指数 氨 4 0 0 32 0 7 70 1 4 4 80 1 7 8 55 1 9 3 11 9 9 31 6 6 7 气 氮 2 8 0 20 2 9 6 80 0 2 41 2 5 01 0 4 31 6 6 01 4 0 0 气 空 2 8 9 60 2 8 7 10 0 2 4 21 2 9 31 0 0 61 7 0 91 4 0 2 气 二 氧 4 4 0 10 1 8 8 9 o 0 1 4 61 6 4 40 8 2 8 1 6 8 01 3 0 0 化 碳 氢 2 0 1 6 4 1 2 40 1 6 8 30 0 8 91 4 1 9 8 4 0 1 4 0 9 气 氧 3 2 0 0 0 2 5 9 80 0 2 6 61 4 2 9o 9 1 7 1 9 2 0 1 3 3 9 气 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，运动粘 度系数大。 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，与燃气循环相比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。 ( 4 ) 运动粘度系数大，故在本实验不完全相似条件下，雷诺数小。 2 2 压气机变工况及特。陛曲线 1 压气机的变工况 在机组的实际运行中，压气机不可能只在特定的设计工况下工作，它经 常会偏离设计工况点，而在一个比较宽广的范围内运行。例如，在氦气轮机 起动，停机以及在部分负荷的工况中运行，压气机都是处于非设计工况下运 9 行。因此，在氦气轮机的实际运行中，反映压气机工作特性的一些基本参数流 量g ，压缩比万，转速九和效率仉等，都是会随时变化的。 压气机的变工况特性线就是一种用来描写在变工况条件下，压气机的一 些基本参数：叮石挖仉之间，相互变化关系的规律曲线。它可以用来判断 各种运行因素，例如转速，透平前的氦气温度等对压气机本身，以及整台氦 气轮机基本工作参数的影响关系；并能帮助我们确定出：变工况条件下，整 台氦气轮机中压气机，透平和反应堆的联合运行特性线。 到目前为止，压气机的变工况特性线还不能用理论计算方法准确地求得。 这是由于在非设计工况条件下，压气机中气流的运动变化规律相当复杂。因 此，一般常用的压气机特性线，几乎毫无例外地，都是在整台压气机的实物 上或模型上，用试验方法测得的。 2 压气机的特性线 在转速恒定的条件下，压气机的压比石和效率仉随流量的改变而变化的 关系，通称为压气机的特性线m 1 。 仉 。 )n 1。、 玎l 卢。 j - 、 矿、 f ， 夕一。 、j j吼 i 嘞 图2 1 压气机特性线 i o 哈尔滨工程大学硕士学位论文 如图2 1 中给出了一个单级轴流式压气机的特性线。图中以纵坐标来表 示压气机的压比万和效率玑；以横坐标来表示压气机进口处的流量g 。在图 中的上半部分曲线描绘了：在转速h 恒定不变的情况下，压气机的效率仉随 流量口的改变而变化的关系；其下半部分曲线则反映出了：当转速拧也是恒 定不变时，压气机的压比石随流量口的改变而变化的关系。 从这些特性线上可以看出：在最初阶段，压气机的压比石是随着流量的 减少而逐渐增高的，到某一流量时，它能达到最大值；此后，随着流量4 的 进一步减小，它将朝着压比不断降低的方向发展。也就是说，压气机的每一 条特性线都有一个最高点，它把特性线分为左右两个侧支。在右侧支上，压 气机的压比将随着流量的减小而增高；在左侧支上，压气机的压比将随着流 量的减小而减小。同样，在压气机的效率仉随流量g 的改变关系曲线上，也 有个效率最大值，把特性线分为左右两个侧支，在右侧支上，压气机的效率 随流量的减小而增高；在左侧支上压气机的效率随流量的减小而减小。 当压气机的流量减少到某一个数值后，压气机就不能稳定的工作了。那 时，压气机中流量会强烈地波动，压比也会随着上下脉动；同时，还伴随有 机械噪声，使机组产生比较剧烈的振动，这就是压气机的喘振现象。当机组 转速不同时，在压气机发生喘振现象时所对应的最小流量的数值也是不同的。 假如把不同转速的这些喘振点连成一条虚线，那么这条线就是压气机能否进 行稳定工作的边界线，通常称为喘振线。它表示：位于喘振边界线右侧的任 何工况点都是可以稳定工作的，在喘振线的左侧则不能稳定工作“”“”“”。 2 3 压气机叶栅基础理论 在轴流式压气机级的设计中，选定和计算出的各基元级速度三角形及其 气动参数，应由相应的叶型和动，静叶栅予以保证。所谓的基元级气动设计 就是依据要求的速度三角形配置上合适的叶型组成相应的动，静叶栅的过程 【1 7 】【2 l 】 原则上讲，基元级速度三角形和叶栅几何参数间存在的客观联系，可由 哈尔滨工程大学硕士学位论文 实验和理论分析两种技术途径得到。但目前广泛使用的仍然是利用大量平面 叶栅所获得的数据为依据而得出的速度三角形和叶栅几何参数之间的规律来 进行叶栅的设计的。实践证明，这样设计出来的叶栅是非常成功的。空气压 气机正是在大量理论和实验的基础上才得以技术成熟，这其中也有大量的空 气叶栅实验，所以进行氦气叶栅的基础理论研究是很有必要的。 2 3 1 叶型的几何参数 平面叶栅是由很多形状相同并按一定要求和间距排列起来的叶型组成 的，所以首先应讨论由哪些几何参数来确定叶型“”。 图2 2 叶型示例图 一个典型的叶型如图2 2 所示，由下列一些基本几何参数表示，叶型内各 内切圆中心的联线称为中弧线。中弧线与叶型型线的前，后缘分别相交于前， 后缘点，前，后缘点间的直线长度称为弦长，以b 表示。叶型最大的内切圆 直径或垂直于叶型中弧线的背弧与内弧间的最大距离c 一称为叶型最大厚 ， 度。从气体动力学的观点看，具有决定意义的是相对值虿= - 。- 一7 - - ，它到前缘 b 点的距离p ，虿= e b 中弧线到叶弦之间的最大距离雠，它与前缘点的距 离为a ，用相对比值表示j r = 凡，6 ，万= a b 。 通过叶型中弧线前，后缘点所做的中弧线的切线与弦线间的夹角，分别 称为叶型前缘角z 。和叶型后缘角z ：。前，后缘切线之间的夹角称为叶型弯 角口，口= 筋+ z ：，叶型角表示叶型弯曲的程度，口越大则叶型弯曲得越厉 哈尔滨工程大学硕士学位论文 害。叶型的型面通常用坐标表示。用上述几何参数就确定了中弧线的长短和 形状，以后，若再选择一种原始叶型覆盖在中弧线上，便完全确定了叶型。 所谓的原始叶型，它们是经过大量吹风实验研究获得的。中弧线为直线的对 称叶型。平面叶栅的叶型背面称为吸力面或叶背，内面称为压力面或叶盆。 1 原始叶型 目前亚音压气机所采用的叶型，都是由对称的飞机机翼叶型或薄翼螺旋 桨叶型，按一定要求弯曲而成的。压气机设计中，根据不同的设计条件选择 典型的叶型为原始叶型。由于氦气音速很大，故选用英国的亚音压气机叶栅 c 一4 叶型为原始叶型，如图2 3 所示，表2 2 为c 一4 叶型的型面坐标数据。 图2 3 原始叶型示例图 2 中弧线的确定 将对称的原始叶型变成压气机叶栅的叶型，首先要选定叶型的中弧线。 压气机中采用的叶型中弧线有单圆弧形，双圆弧形和抛物线形中弧线。 双圆弧形中弧线 x 图2 4 双圆弧中弧线示例图 这种中弧线是由两段圆弧在最大挠度点相衔接组成的，各圆弧半径应等 ，l 2 嘉s i n 巾是s i n ，当5 时2 。 ，l = _ 一，屹= _ ，当= u 5 町，而= z 2 = 二- o 而z 2 6 如果 5 ，2 ，则中弧线为一单圆弧，这时詈= o 5 ，而= z ：= 詈和 抛物线形中弧线 名厶_ 除、 - ! - i 6 图2 5 抛物线形中弧线示例图 哈尔滨工程大学硕士学位论文 = 1 ：业+ _ c o t 2 2 ，当罢= o 4 5 时，舰- o 6 0 ；z 2 = o 柏 v工 1 7 一xd 表2 2c 一4 叶型原始数据 i ：兰1 0 0 b 0 0 01 2 52 5 05 0 07 5 0 1 0 o o1 5 0 02 0 。0 0 y ：上1 0 0 b 0 0 01 6 52 2 73 0 83 6 2 4 0 24 5 54 8 3 x 3 0 0 04 0 0 05 0 o o6 0 0 07 0 0 08 0 0 09 0 0 09 5 0 01 0 0 0 0 y 5 o o4 。8 94 5 74 0 53 3 72 5 41 6 0 1 0 6 o 2 3 2 平面叶栅的几何参数 在平面叶栅中决定叶型位置的几何参数称为平面叶栅的几何参数“”。如 图2 6 示出了我国惯用的以叶栅额线为基准的叶栅几何参数表示方法，所谓 的额线即叶型同名点的联线，与圆周速度“的方向相同。 图2 6 平面叶栅示例图 1 叶型进口角届，和叶型出口角屈， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 分别是中弧线在前，后缘点处的切线和额线间的夹角。这两个角度是确 定气流在叶栅进口处和出口处方向的参考基准。 2 栅距t 两相邻叶型对应点之间沿额线方向的距离 3 叶栅稠度f l 它为弦长b 和栅距r 的比值，即f = 兰，表示叶栅的稠密程度，故也称为 f 叶栅实度，它的倒数称为相对栅距。 4 叶型安装角尻 它是叶栅的弦线与额线间的夹角，表示了叶型在叶栅中的安装位置。显 然，p t p = p 6 一z 矗p 2 p = p b4 - z 2 5 叶型弯角口 8 = p ：，一9 i p = 4 - z 1 6 平面叶栅的气动参数 气流进气角届和出气角屈 气流方向与额线间夹角。 7 攻角f 气流进气角届和叶型进口角届，之间的夹角，f - 届，- p , 。 8 落后角艿 由于气流的粘性影响，气流出气角尾小于叶型出口角岛。，其夹角称为 落后角 6 = 9 1 d p l 9 气流转折角 它表示气流流过叶栅时流动方向的改变量。 厶p = ；b 2 一p l = t p l p 一6 ) 一t p i p d = p 2 p p t p + 一6 = 9 + i 一6 1 0 升力系数c 。 和c 。都是表示叶栅扩压能力的气动参数 1 1 阻力系数c ，总压损失系数万 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 总压损失万：鱼；盟。为了使用上的方便，利用气动函数和总压恢复 p 1 一p l 系数盯2 务的关系，则可变换表示为：万2 f 与南i 式中万( m ) 是气体动p i l 一万l 朋j 力学函数，x ( m 。) = 等 p l c ，和万都是表示气流流过叶栅的损失的气动参数。 2 3 3 亚音平面叶栅的攻角特性 压气机叶栅特性是由气体动力特性参数来衡量的，而叶栅气体动力特性 参数有两类：一类是反映叶栅扩压能力的参数，这类参数有升力系数c 。和气 流转折角口；另一类是反映气流流过叶栅能量损失的参数，这类参数有阻 力系数c ，和总压损失系数万“”。“。 到目前为止，有关叶栅的理论特性虽已进行了大量的研究，并且得到了 很多有价值的结果，但尚难以完全依靠理论计算的方法得到可靠，准确的叶 栅特性。因此，至今压气机基元级的气动设计仍然主要是采用建立在应用平 面叶栅试验数据为基础的方法。亚音平面叶栅实验是指叶栅的来流马赫数小 于1 o ，在平面叶栅风洞上进行，以获得几何参数确定的平面叶栅准确定量 数据表示的叶栅特性的实验。根据文献可知，在低来流马赫数条件下 ( m o 4 0 0 6 0 ) ，叶栅性能只取决于攻角，即和万是攻角f 的函数，这 被称为平面叶栅的攻角特性，或平面叶栅的正常特性。 图2 7 示出了某叶栅的攻角特性“”。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a m t o l 一0 6 0 - 2 5 - 1 0 i - 4 0 ，。 i | - 。 图2 7 某叶栅攻角特性图 在图中所示的攻角特性可以看出：随着攻角从负值( 除靠近左端的最大 负值之外) 增加时，气流转折角口随攻角f 几乎成正比例增加，而损失系数 万则变化不大。这是因为这时气流还没有从叶片表面分离，气流落后角艿基 本不变，由= 0 + f 一万可以看出，对f 给定的叶栅( 0 不变) ，声正比于攻 角f 。在无分离流动中，气流损失基本上是由于附面层内的摩擦而引起的， 所以万基本不变。当攻角增大到某一数值f 。时，开始出现分离，落后角万逐 渐增大，随着i 的增加，口的增加变慢，石逐渐增加，当攻角增大到临界攻 角0 时，达到最大值屈。若再增大攻角，很快下降，而万则急剧 上升。因为当fi c r 以后，气流发生严重分离以至失速。当负攻角很大时，也 会导致万的显著加大，这时在叶盆处产生了较大的逆压梯度和分离。 2 4 相似基础理论 1 流体相似的条件 流体机械内的流动是粘性可压缩流体的非定常流动，由流体力学相似理 论知道，两个相似的流动过程所涉及的所有的物理量，包括几何尺寸，时间， 速度，力，温度，密度和粘度等等都必须对应成比例，这就是几何相似，对 间相似，运动相似，动力相似，热力相似和物性相似嘲。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 几何相似是指流动空间几何相似，即形成此空间任意相应两线段夹角相 同，任意相应线段长度保持一定的比例。几何相似是力学相似的前提，有了 几何相似，才有可能在模型流动和原型流动之间，存在着相应点，相应线段， 相应断面和相应体积这一系列互相对应的几何要素；才有可能在两流动之间 存在着相应速度，相应加速度，相应作用力等一系列互相对应的力学量；才 有可能根据模型流动的给定点，给定断面上测定的参数，来预测原型流动的 相应点和断面上相应的参数。 时间相似是指两个流动中各种参数对于时间的变化过程相似，亦即完成 一个特定的流动过程所用的时间成比例。 运动相似意味着两流动的的相应流线几何相似，或者说，相应点的流速 大小成比例，方向相同。显然对于两个相似的流体机械叶轮来说，运动相似 意味着对应点的速度三角形相似，绝对和相对流动角相等，所以相似工况又 称为等角工况。 动力相似是指作用于流体质点上的力为同名力，同时相应点上的同名力 成比例。所谓的同名力，是指同一物理性质的力，例如重力，粘性力，压力， 惯性力，弹性力等等。 热力相似是指流动过程内部的热功转变过程和热量传递过程相似，即温 度场相似和热流相似。由于在流体机械模型试验中通常忽略热传导，所以热 力相似主要是指温度场相似。 物性相似是指两个流动的对应点上介质的物性参数如密度，粘性系数， 质量热容成比例。 2 流体机械的相似准则 流体力学的相似理论指出，在满足几何相似和物性相似的条件下，只要 使两个流动的若干无量纲数对应相等，即可保证二者相似，这些无量纲数称 为相似准则，可以由一些特征量组合而成。这些相似准则都是动力相似的准 则，它们都代表某一种作用力与惯性力的比值。对于流体机械内的可压缩粘 性介质的非定常流动，由这些特征量组成的相似准则包括嘲： 斯特劳哈尔数，用s ，表示 1 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ， s = 二生 ( 2 1 ) c o f o 斯特劳哈尔数表示在非定常流动中，当地加速度与位移加速度的比值。 欧拉数，用e 。表示 e u ：( 2 2 ) 风c ； 欧拉数表示压差力与惯性力的比值。 马赫数，用眠表示 m a = 旦 马赫数表示流速与声速的比值或者表示介质的可压缩性， 差力的比值。 弗劳德数，用p 表示 丹= ! ! 0 9 。k 弗劳德数表示惯性力与重力的比值。 雷诺数，用r 。表示 ( 2 3 ) 也表示惯性力与压 ( 2 4 ) r e ：p o c o l o( 2 5 ) 风 雷诺数表示惯性力与粘性力的比值。 综上所述，在满足几何相似的条件下，为使两台流体机械的流动相似， 必须保证上述相似准则对应相等。 3 不完全相似 相似准则证明了模型试验可以模拟真机的流动过程，指出了满足相似条 件下试验设计应遵循的准则，不过这样严格地满足全部相似准则的要求在工 程实际中是不可能实现的，如要求原型与模型的尺寸之比为1 0 ，二者的工作 介质相同，那么为了使二者的雷诺数相等，原型的速度应该是模型的十分之 一；但为使二者的弗劳德数相等，原型的流速则应为模型的, f r o 部，显然， 同时满足两个条件是不可能的。原因在于人们难以根据试验要求任意改变重 哈尔滨工程大学硕士学位论文 力和介质的粘性等参数嘴3 。 其实为满足工程实际的需要，并不需要严格满足所有的相似准则，由于 相似准则表示某一性质的力与惯性力之比，如果这种力在流动中所起的作用 不大，也就不必满足相应的准则。下面根据这一思想分析一下流体机械模拟 过程中必须满足的相似准则。 斯特劳哈尔数s ， 斯特劳哈尔数表示非定常运动中当地加速度和迁移加速度之比。在稳定 工况下，流体机械中的相对运动是定常的，但绝对运动是非定常的。由于叶 片数有限，叶片两面的速度不同。当叶轮转动时，在空间中固定点上，观察 到的绝对运动将呈现周期性的变化，故是非定常的，所以斯特劳哈尔数相等 是流体机械模拟必须满足的条件。 马赫数m o 和欧拉数e 这两个数都表示压差力与惯性力的比值。在流体机械中，压差力是最重 要的作用力，因此，保持马赫数或欧拉数相等也是流体机械模拟必须满足的 条件。在不可压介质中，要求满足欧拉数相等。在可压缩介质中，则要求满 足马赫数相等。 雷诺数r 。 雷诺数表示惯性力与粘性力的比值。流体机械内的流动都是有粘性的， 所以，原则上应该保证模型与原型的雷诺数相等。但当原型与模型的尺寸比 较大时，保持雷诺数相等是困难的。由于粘性力的作用造成能量损失，所以 雷诺数对流体机械工作过程的影响表现在效率上。当雷诺数大于临界雷诺数 后，对效率没有影响，而流体机械中多数情况下雷诺数是大于临界值的，所 以通常不要求满足雷诺数相等的条件。 弗劳德数e 弗劳德数表示重力