（轮机工程专业论文）氦气与空气平面叶栅相似性的初步研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 随着社会的发展，能源问题日趋重要，核电的优势越显清晰。在高温堆 发展中，气冷堆具有比压水堆安全性能高的优点，又因气冷堆冷却剂工质温 度较高，采用闭式气体透平循环代替传统的开式蒸汽透平循环，以氦气作为 冷却剂，用其直接驱动氦气透平机组发电，形成直接循环以实现高效率发电， 成为了目前国际上高温堆技术发展的热点。 目前所见文献基本是从整机角度谈论氦气透平，以空气透平为母型进行 设计或计算。而氦气的基本流动特性和氦气的叶栅特性，却是氦气压气机设 计基础。 本文以叶型为n a c a6 5 ( 1 2 a l o ) 1 0 的亚音速压气机叶栅作为研究对象。 采用商用c f d 软件f l u e n t 进行数值模拟计算。 本文首先对数值计算软件进行了验证，并针对计算结果比较了相同流动 条件下氦气及空气叶栅特性的相同和不同点。并根据氦气及空气叶栅特性的 分析结果，针对空气和氦气两种不同工质在压气机平面叶栅中的流动，推出 了相似律。通过相似性分析及c f d 软件计算，验证空气叶型在氦气压气机设 计中的可用性，以及在氦气压气机设计中对已有的空气平面叶栅吹风试验结 果的应用的实际操作性。 结果表明，在氦气透平设计中采取空气叶型，并利用相似律应用空气平 面叶栅的试验数据进行氦气叶栅的选择和设计是可行及经济的。然而，在将 来进一步的理论和数值研究中，实验研究，特别是氦气叶栅的实验研究是必 不可少的。 关键词：高温气冷堆；氦气压气机；平面叶栅特性；相似；数值模拟 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a bs t r a c t t h ec o n s t r u c t i v eu t i l i z a t i o no fe n e r g yi so fp a r a m o u n ti m p o r t a n c ei nt h e e n h a n c e m e n to fs o c i e t y ss t a n d a r do fl i v i n g n u c l e a re n e r g yh a san u m b e ro f a d v a n t a g e st h a tw a r r a n ti t s u s ea so n eo ft h em a n ym e t h o d so fs u p p l y i n ga i l e n e r g y d e m a n d i n gw o r l d 。 u t i l i z a t i o no ft h em o d u l a rh i g ht e m p e r a t u r eg a sc o o l e dr e a c t o r ( h t g r ) t o s u p p o r tt h eg o a lo fm e e t i n gt h ee n e r g yd e m a n d so ff u t u r ei na l le f f i c i e n t ，s a f ea n d m o r ee c o n o m i ca n de n v i r o n m e n t a l l ya c c e p t a b l em a n n e rt h a nt h ep r e s e n tm e t h o d s o fe n e r g yp r o d u c t i o na n du t i l i z a t i o n t h ec l o s e dc y c l eg a st u r b i n eu s i n gh e l i u ma s w o r kf l u i d ，w h i c hc o u p l e dt ot h em o d u l a rh t g ri sap r o m i s i n g t e c h n o l o g y s e v e r a lp a p e r sa n dp u b l i c a t i o n sh a v ed i s c u s s e dt h ep e r f o r m a n c ea n a l y s i so f h e l i u mt u r b i n ea n da x i a l f l o w c o m p r e s s o r s a l t h o u g h t h e r e a r es e v e r a l p u b l i c a t i o n so n ，h a r d l ya n yi n v e s t i g a t i o n sh a v eb e e nr e p o r t e do nt h ed e t a i l e d b l a d ed e s i g no rc a s c a d ep e r f o r m a n c e sf o rs u c h s u b s o n i ch e l i u mc o m p r e s s o r b l a d e s h e l i u m sp h y s i c a l p r o p e r t i e sa n dh e l i u mc a s c a d ep e r f o r m a n c e sa l e p r i m a r yf o u n d a t i o n sf o ra e r o d y n a m i cd e s i g na n dp e r f o r m a n c eo ft h eh e l i u mg a s c o m p r e s s o r t h i sp a p e rf o c u so nt h ef e a s i b i l i t yo fu s i n ga i rc o m p r e s s o rb l a d e sa sh e l i u m c o m p r e s s o rb l a d e s u s i n gn a c a6 5 - ( 12 a w ) 1 0 c o m p r e s s o rb l a d e s t od ot h en u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，c o m p a r ew i t he x p e r i m e n tr e s u l t so fa i rs u b s o n i cc a s c a d e s ，a n dc o n f i r m t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n s v a l i d i t y , c o m p a r et h ed i f f e r e n c ea n ds i m i l i t u d eb e t w e e n h e l i u ma n da i rc a s c a d e sp e r f o r m a n c eu n d e rt h es a m ei n l e tc o n d i t i o n s t h ep r e s e n tp a p e ro b t a i n e ds o m es i m i l a r i t yr e l a t i o n s h i p sb e t w e e nh e l i u m c a s c a d ef l o wa n da i rc a s c a d ef l o w t h ec o n c l u s i o no ft h i sp a p e ri s ，u s i n ga i r s u b s o n i cb l a d e sa sa i r f o i l so fh e l i u mc o m p r e s s o r ，a n de x t e n s i v et h e o r e t i c a la n d 哈尔滨工程大学硕士学位论文 e x p e r t m e n t a lr e s e a r c h e so fa i rs u b s o n i cb l a d ei sf e a s i b l e 劢eo b je c t i v eo ft h i s p a p e ri s t od e m o n s t r a t et h a te f f e c t i v en u m e r i c a l s i m u l a t i o n sc a np r o v i d eq u m i t a t i v ei n s i g h t si n t ot h ep e r f o r m a n c ea n do p e r a b i l i t y o fh e l i u mc o m p r e s s o rw h e nu s i n go fa i rs u b s o n i cb l a d e sa l sa i r f o i l s k e y w o r d s ：h t g r h e l i u mc o m p r e s s o rc a s c a d ep e r f o r m a n c e s ：s i m i l a r i t y ； n u m e r i c a ls i r e 疆a t i o n 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j ：旦。 作者( 签字) ： 日期：六一年月f ) 日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 童绪论 1 。1 课题的目的和意义 随着社会发展，能源问题日趋重要“儿4 例，核电的优势越显清晰，其清洁、 高效的特点，使之成为可以大规模利用的替代能源之一n 儿捌，为解决我国能 源供应短缺，环境污染，及能源结构的改善做出贡献娃瑚】。 在高温堆发展中，气冷堆具有比压水堆安全性能高的优点，又因气冷堆 冷却剂工质温度较高，采焉阈式气体透平循环代替传统的歼式蒸汽透平循环， 以实现高效率发电，成为了目前国际上高温堆技术发展的热点。以氦气为工 质的高温气冷堆的效率高，安全性好，是核动力装置未来发展的方向之一n 】【2 3 。 而其主要动力设备则为氦气透平。 目前所见文献基本是从整机角度谈论氦气透平，以空气透平为母型进行 设计或计算3 钌嘲阍弼7 葫镯。氦气和空气物性相差较多( 见表1 i ) ，氦气粘性 大，比重小( 约是空气比重的1 7 ) ，绝热指数大( 1 6 6 7 ) ，氦气中音速高( 常 溢下是空气中音速的2 。s 倍 。而氦气的基本流动特性和氦气的时栅特性，是 氦气压气机设计基础。因而进行氦气流动特性的研究对于高温气冷堆氦气压 气机豹设计具有重要的意义。为促进我国舰用核动力及核电工业发展具有重 要的意义。 设计氦气透平，应从机理研究做起。本文通过相似性分析及c f d 软件计 算，验证空气叶型在氦气压气机设计中的可用性，以及在氦气压气机设计中 对已有的空气平面叶栅吹风试验结果的应用的实际操作性。 表l 。l 氦气昶空气的物理性质表( 枣) 气体 c p k p u r k j ( k g 酗k g m 3 沁 a t s j ( k g 酗 氦气 5 2 31 6 6o 1 6 62 0 o2 0 7 7 空气 l 。o l1 4l 。2 0 5l s 62 8 7 木温度为2 9 3 1 5k ，压力为1a r m ( 1 0 1 3 2 5l d a ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 。2 研究背景 9 0 年代后期，随着全球经济的发展，对能源的需求在持续增加。由于能 源资源量的限制，核能的作用是不可替代的。丽且和化石燃料相比，核能是 一种清洁的能源，使用核能可减少对化石燃料的依赖，减少c 0 2 和氮氧化物 的排放，缓解全球温室效应，符合可持续发展战略。与此同时，人们对核能 的安全性也提出了更高的要求，堆芯的熔毁概率降到百万分之一量级。1 9 9 9 年6 胃，美国核学会年会首先提出第四代核能系统的概念。第四代先进核能 系统不仅对未来核电的安全性，而且对其经济性乃至对其废物处置和防止核 扩散这些政治上、环境上的敏感问题都提出了很高的要求。这些要求改良型 压水堆是无法满足的，焉球床高温气冷堆的优点却能得到充分的发挥，它自 身的特性使它符合当前核电的发展趋势，能较好地满足第四代先进核能系统 提出的各项要求，是冒前最有希望成必第四代先进核能系统的一种堆型。9 0 年代后期，美国麻省理工学院从安全性、经济性、建造周期、效率、寿命、 退役费用、废料处理、投资回收、防止核扩散、政府与公众的支持等2 9 个方 面对几种先进核动力堆进行了综合评估，球床高温气冷堆以遥遥领先的总得 分获得第一名，被认为是2 1 世纪美国乃至全世界核电站最有发展前途的堆 型。 高温气冷堆是在以天然铀为燃料、石墨为慢化剂、c 0 2 为冷却剂的低温 气冷堆的基础上发展起来的。低湿气冷堆是国际上反应堆发展中最早的种 堆型，初期这种堆型被用来生产钚，5 0 年代中期以后开始成为发电用的商用 化动力堆。气冷堆的发展大致可分为四个阶段：早期气冷堆、改进型气冷堆、 离温气冷堆和模块式高温气冷堆。 1 早期气冷堆( m a g n o x ) 英国在1 9 5 6 年建成电功率为5 0m w 的卡特霍尔( c a l d e rh a l l ) 气冷堆 电站，标志着这种堆型进入商用化。这种气冷堆采用石墨为慢化剂，c 0 2 气 体必冷却剂，金属天然铀为燃料，镁诺克斯( m a g n o x ) 合金为燃料棒的包壳 材料，故这种堆又称为镁诺克斯气冷堆。到7 0 年代初期，在英、法、意、日 和西班牙等国相继建造和运行了3 6 座镁诺克斯型堆，总装机容量达到8 2 0 0 m w 。这种堆型运行情况良好，可利用率高，对核能早期进入商用化市场起 了很大作用。 2 哈尔溟工稷大学硕士学位论文 2 改进型气冷堆( a g r ) 为提高反应堆的热工性能，英国发展了改进型气冷堆( a g r ) ，反应堆 仍采用石墨作慢化剂，c 0 2 气体作冷却刹，但用不锈钢代替镁诺克斯合金作 为燃料的包壳材料，改进后c 0 2 的出口温度从4 0 0 c 左右提高到6 7 0 。c 。1 9 6 3 年在英国温茨凯尔( w i n d s c a l e ) 建造了电功率为3 2m w 的原型堆，从1 9 7 6 年至1 9 8 8 年，运行熊改进型气冷堆共有1 4 座，总电功率为8 8 9 0m w 。 3 。离湿气冷堆( h t g r ) 高温气冷堆( h t g r ) 的概念演化自早期的空气冷却和二氧化碳冷却的 反应堆。高温气冷堆采用化学惰性和热工性能好的氦气为冷却魏，以全陶瓷 型色覆颗粒为燃料元件，用耐高湿的石墨作为慢化剂和堆芯结构材料，使 堆芯出1 ：3 氦气温度达到9 5 0 c 甚至更高，不仅可用来发电，而且在高温工艺 热方面也有广泛的应用前景，于是这种反应堆被命名为高温气冷堆。 迄今为止，已建造和运行了7 座h t g r 电厂。第一痤是英国的2 0m w t d r a g o n 试验堆，接下来是两台功率相对较低的电厂，分别是美国l1 5m w t 的p e a c hb o t t o m - 1 ( p b - 1 ) 和德囡4 9m w t 的a v r 。p b ，l 和a v r 展示了h t g r 利用兰金( r a n k i n e ) ( 蒸汽) 循环从核铯发电。随意建造的两痤中等规模的 蒸汽循环电厂是美国8 4 2m w t 的f o r ts t 。v r a i n 电厂1 和德国7 5 0m w t 的 t h t r ( 钍高温堆) 电厂。 近年，又有两台h t g r 试验反应堆建成并成功运行，它们是日本的3 0 m 谳高温试验堆( h t i r ) 和中国的l om w t 高温反应堆( h t r - 1 0 ) ( 表l 。1 ) ， 两者的设计出翻温度分别为9 5 0 和9 0 0 。 表1 2 建造和运行的h t g r 电厂特性 p e a c hf o r t 珏t 歉。l d r a g o n 彳孀 t h t rh m b o t t o ms t 。v r a i no 地点英国 美国德国美国德阑日本中国 功率 ( m 稿程穗重w e2 弘 1 1 5 愆o4 6 1 58 4 2 3 3 07 5 0 3 0 03 弘 1 0 - ) 氦气温度( 入 3 9 5 9 53 0 0 ，9 0 3 5 0 7 5 03 7 7 厂7 5 02 7 0 9 5 04 0 0 7 7 52 7 0 7 5 0 舀，出口，) 0o 哈尔滨工程大学硕士学位论文 氦气压力 2 02 2 51 14 84 04 02 0 ( b a r ) 功率密度 1 48 32 36 3 62 52 ( m 、m 3 ) 1 9 6 5 1 91 9 6 7 1 91 9 6 8 1 91 9 7 9 1 91 9 8 5 1 9 运行年限 1 9 9 8 1 9 9 8 7 57 48 88 98 9 4 模块式高温气冷堆( m h t g r ) n 啦懿1 模块式球床高温气冷堆( p b m v ) 及模块式氦气透平高温气冷堆 ( g t - m h r ) 以小型化和具有固有安全特性为其特征，在技术上保证在任何 事故情况下能够安全停堆，即使在冷却剂流失的情况下，堆芯余热也可依靠 自然对流、热传导和辐射导出堆外，使堆芯温度上升缓慢，使燃料元件的最 高温度限制在允许温度1 6 0 0 以下；在经济上它能以模块式组合、标准化生 产、建造时间短、投资风险小等优势与其他堆型核电站相竞争m 儿4 7 儿4 羽。 正是由于高温气冷堆有着良好的发展前景，目前美、俄都有发展高温气 冷堆的计划。核电占其总发电量7 5 以上的法国，对这一技术也相当重视， 很快给予了投入。南非e s k o m 电力公司经过多年的分析比较后决定放弃压 水堆，选择模块式球床高温气冷堆作为下一代核电站堆型并计划在2 0 0 8 年建 成1 1 座高温气冷堆电站，目前已成功试运行。 模块式高温气冷堆是目前世界上各种反应堆中最安全的一种堆型。采用 氦气作冷却剂。氦气是一种惰性气体，不与任何物质起化学反应，与反应堆 的结构材料相容性好，避免了以水作冷却剂与慢化剂的反应堆中的各种腐蚀 问题，使冷却剂的出口温度可达9 5 0 c 甚至更高，这就显著提高了高温气冷 堆核电站的效率，并为高温堆核工艺热的应用开辟了广阔的领域。 高温气冷堆氦气冷却剂的出1 2 1 温度( 即气轮机的入1 2 1 温度) 可以高达 9 5 0 。c ，由于冷却剂的出口温度高，高温气冷堆用来发电其效率就大为提高。 高温气冷堆可以提供9 0 0 9 5 0 c 的高温工艺热和5 4 0 ( 2 以下各种参数的工艺 蒸汽，在核供热方面具有广泛的应用领域。高温气冷堆的安全性与用途的广 泛性是核能界公认的，它的经济性随着模块式堆型的提出及核电设备制造经 验的成熟逐渐显现出越来越强的竞争力。高温气冷堆的经济性好，除了前面 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 提到的发电效率高、供热用途广之岁 ，还有以下一些原因：1 ) 系统简化，2 ) 连 续装卸燃料，3 ) 可进行模块化建造，4 ) 可有效利用钍资源。 髫前高温气冷堆考虑了两种热力循环方式： 1 蒸汽循环方式 由氦气冷却剂载出的核能经过直流蒸发器加热二次侧的水，产生5 3 0 的高温蒸汽，推动蒸汽轮机发电，发电效率可达4 0 左右。但利用蒸汽透平 发电不能充分发挥其高温优势，采用气体透平发电可实现更高的热电转换效 率，同时可以简化工艺系统。 2 氦气循环方式 即燃气轮机一模块式氦冷反应堆( g t 。m h r ) 现在称为模块化氦反应堆( m h r ) 的最终模块化h t g r 设计展示了反应 堆设计和安全基本原理方面的根本性变化。为经济性所拟订的最新发展目标 是用高效率的布雷顿( 燃气轮机 循环动力转换系统来代替兰金蒸汽循环动 力转换系统，使热转换效率增至4 8 左右。m h r 与燃气轮机联合循环构成 了g t - m i - i r 。g t - m h r 保留了m h r 所有菲能动安全特性，但预诗其比任何 其它可用发电方法都具有更诱人的经济性。它基于在过去4 0 年里开发的 h t g r 技术，包括7 座h t g r 电厂的设计、建造和运行。g t - m h r 满足了第 四代核能系统( g e ni v ) 关于非能动安全性、优良的经济性、高度的防核扩 散性和改善环境特性的目标，包括比当前一代核电厂具有更少的核废料以及 更好的燃料利用率。由于其能够产生高冷却剂出口温度( 至少8 5 0 ，且仍 有更高温度的潜力) ，模块化氦反应堆系统也能有效地利用高温电解或热化学 分解承来制氢。在g t - m h r 设计中所包禽的技术，只要佟适当的进一步开发 就具有很大潜力，能够满足计划建在爱达荷国家工程和环境实验室( i n e e l ) 的下一代核电厂( n g n p ) 示范项目的要求。下一代核电厂的目的是为了验 证非能动安全性、新核电厂的许可证申请、利用布雷顿循环进行高效发电以 及利用高温核热进行氢气生产。 由氦气冷却剂直接推动气轮机发电，这种方式的优点是十分明显的，其 效率可达5 0 ，同时还可减少环境污染，即排放到大气环境中的热量比压水 堆少，且单位能量产生的高放射性废料也毖压水堆少。高温气冷堆采用氦气 作为冷却剂，用其直接驱动氦气透平机组发电，形成所谓的直接循环，可以 省去中间换热设备，使系统简化。因此，这种直接循环氦气透平方案是技术 哈尔滨工程大学硕士学位论文 上菲常先进的方案，也是最受关注的方案。若在回路氦气冷却荆和气体透 平工质之间设置中间换热器，则构成所谓的间接循环，气体透平回路相对独 立，在系统设计上自由度更大些，可以更多地借鉴相对成熟的常规燃气透 平技术。 g t - m h r 的直接布雷顿循环( 燃气轮机) 动力转换系统包括一台燃气轮 机、台发电机、位于一根共用的由磁轴承支承的约2 9i n 长的垂直方向的轴 上的空气压缩机。动力转换系统也包括同流换热器、预冷却器和中间冷却器 热交换器。加热的氦气直接从m h r 流进燃气轮机以驱动发电规和压缩帆。 从燃气轮机排出的氦气流经同流换热器热侧并流经预冷却器然后通过低压和 高压压缩枫作中闻冷却。从高压压缩机出口流出的氦气流经同流换热器的冷 高压侧，在那儿加热后再返回到反应堆。利用直接布雷顿循环发电产生净发 电效率约4 8 。该效率约比目前轻水堆核电厂的效率高5 0 。 高温气冷堆与闭式氦气透平循环相结合用以嵩效率发电是目前国际上高 温堆技术发展的热点，是一个非常有吸引力的核电技术发展方向哺。与高温 气冷堆自身技零相比较，氦气透平技术尚需较多的研发试验工作。 球床反应堆( p b m r ) 亦称卵石床反应堆，是一种先进的核子反应堆设计。 反废堆使用惰性气体或接近惰性气体，如氦、氮、二氧化碳作为冷却剂，在 高温下直接推动涡轮引擎。由于毋须处理蒸气，系统的热能效率可以得到提 高。该球床反应堆的概念是德国教授r u d o l fs c h u l t e n 在1 9 5 0 年提出 的。1 9 6 6 年德匡于j 镊i e h 建成第一座董5 兆瓦的a r b e i t s g e m e i n s e h 缀 v e r s u c h s r e a k t o r ，简称a v r 的试验反应堆( 表1 1 ) 。1 9 6 7 - 1 9 8 8 年期间，该 实验堆以1 5m w e 运行了7 5 0 属。a v r 使用氦作为冷却剂，著直接使用冷却 剂推动发电。德国的a v r 反应堆曾出现燃料球卡住的问题，引起辐射外泄， 最后导致德囡政府下令关闭研究计划。 二十世纪六十年代中，英囡、美国和德国研究发展高温气冷堆并先后建 成功率规模较小的原型高温气冷堆核电站。并在此基础上提出商业应用核电 站方案。后由于技术经济原因，至今尚未建成商业佬高溢气冷堆核电站，但 是高温气冷堆有高热效率和固有安全特点，有可能在本世纪廿年代发展为商 用核电站。 1 9 6 4 1 9 7 3 年期间，美国通用原子公司的桃花谷( p e a c hb o t t o m ) 高温 石墨慢化氦冷堆( h t g r ) 在l1 0m w t h 条件下，使用h e u 和钍燃料运行。 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 在1 9 7 6 1 9 8 9 年期间运行的美国圣符仑堡( f o r ts tv r a i n ) 机组是商业 机组。该机组是从德国的a v r 发展而来，是一座高温( 1 3 0 0 ) 石墨慢化 氦冷反应堆( 8 4 2m w t h 、3 3 0m w o ) ，由于使用氦作为冷却剂以及单个模块 的功率输出相对较小( 6 0 0m w t l l ) ，因此允许将2 座m h r 与一台燃气轮机 ( 布雷顿循环) 匹配，从而使热效率达到将近5 0 。g t - m h r 堆芯能够使用 各种不同的燃料，其中鞠刚7 钍燃料的使焉已在圣符仑堡机组中 ! 导到了验证。 北京清华大学的球床反应堆是使用a v r 的技术，于2 0 0 4 年9 月建成十 兆瓦的实验堆，名为h t r 1 0 。实验堆内有接近2 7 ，0 0 0 个燃料球，以氦作 为冷却剂，直接推动发电。华能己宣布在由东威海建造首座投产的球床反应 堆，该堆主要用于示范，功率为1 9 5 兆瓦，预计于五年内运作。中国有计划 在2 0 2 0 年前兴建三十座球床式反应堆。 由舀本的j a e r i 主持的g t h t r 3 0 0 狂8 鞋嘲顼旨西前己建造完毕，并已进行 了l 乃模型氦气压气机与密封轴承的实验，该项尽的研究是基于h t t r 的经 验，计划于2 0 1 0 年投入生产应用。j a e r i 同期进行的还有v h t r ( 超高温反 应堆) 泓强酷k 矧，该堆型出口温度远远超过现有的( 轻重) 水堆及气冷堆，也 是第四代的主要发展堆型之一。 南非的e s k o m 是球床反应堆技术的领导者之一。南非对其计划建造的热 功率2 2 6m w 、电功率1 0 0 9m w 、采用氦气气轮机发电的l l 座模块式球床 高温气冷堆( p b 滁) 电站进行的技术经济分析表明，南非高温气冷堆的基 础价与成本电价大大低于目前国际上大型压水堆核电站的基础价与成本电 价，这表明高温气冷堆氦气气轮机电站是经济上非常有竞争力的一种核电站。 e s k o m 设计的球床反应堆主要供发电厂在用高峰时快速增加发电壁，亦可供 海水化淡。e s k o m 已在建造1 1 0 兆瓦的实验反应堆，并已于2 0 0 7 年进行了氦 气透平部件的试运行。 目前荷兰的n e r e u s 已有l o 兆瓦的球床反应堆，采用闭式循环，氦气做 工质，投入商用。高温气冷堆( h t r ) 豹特点是：l 。载热裁( 如氦气) 的化 学惰性和良好的化学稳定性，可与反应堆结构材料直接接触；2 运行温度高 而有较高的工作效率；3 能保证燃料的密封性、故可直接循环。荷兰的n e r e u s 裔船项冒采用该堆型疆1 。磊的是用来替代轮船上原来使用柴漕发动机，又或 者代替在偏远地区及后餐使用的柴油或燃气发电机。这神设计更换燃料时可 将整个反应堆搬走，在工厂内进行。 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 美国亦有研究在潜艇上使用球床式反应堆。海军一般使用压水堆作为舰 船核动力装置，无论在商用还是军用方面，均为囡际上最为普遍、技术最为 成熟的堆型，但亦有其它堆型已投入应麓，盘有小型的球床反应堆用于海军 船舶舰艇上。 第四代仍包括超常嵩湿气冷堆系统( v h t r ) 和气冷快堆( g f r ) 。v h t r 是高温气冷堆的进一步发展，采用石墨慢化、氦气冷却、铀燃料一次通过循 环方式。其燃料温度达1 8 0 0 ，冷却剂出口温度可达1 5 0 0 。v h t r 具有良 好的菲能动安全特性，热效率超过5 0 ，易于模块化，经济上竞争力强。 v h t r 保持了高温气冷堆具有的良好安全特性，同时又是一个高效系统。它 可以向高温、嵩耗能和不使用电能的工艺过程提供广谱热量，还可以与发电 设备组合以满足热电联产的需要。g f r 是快中子能谱反应堆，采用氦气冷却、 闭式燃料循环。我国核电发展的战略路线是近期发展热中子反应堆核电站， 中期发展快中子反应堆核电站。g f r 与氦气冷却的热中予能谱反廒堆一样， g f r 的堆芯出口氦气冷却剂温度很高，- 可以用于发电、制氢和供热。参考堆 的毫功率为2 8 8m w e ，堆芯出醴氦气温度8 5 0 4 c ，氦气气轮机采焉布雷顿直 接循环发电，热效率可达4 8 。 但超常高温气冷堆系统( v h t r ) 翻气冷快堆( g f r ) 系统技术上有待 解决的问题之一便是：高性能的氦气气轮机的研发。 。3 国内外相关研究概况 1 3 1 国内外氦气透平相关研究状况 1 3 1 1 国外相关研究状况 氦气压气橇是闭式循环高温气冷堆豹重要部件，其气动性能与结构尺寸 是影响闭式循环燃气轮机性能与稳定运行的关键所在。德国h 1 于1 9 6 8 年开始 了项针对阔式循环循环动力转换系统的综合研究和开发计划，研制的氦气 涡轮发电机组于1 9 7 5 年1 月8 日开始与电网同步，到1 9 8 8 年末停止运行， 累计运行2 4 0 0 0 小时，在7 5 0 。c 设计温度下，总运行时数为1 1 5 0 0 小时。该 压气机的成功运行为巍接循环离温气冷堆氦气压气枫的设计积累了经验。该 机组中高、低压压气机的设计都采用反动度为1 ，叶片沿径向采用等反动度 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的设计基本思想。综观成功的氦气压气机设计，为了达到减少级数的目的， 几乎都无一例外的采用了高反动度( 0 8 5 ) 设计。尽管到目前为止，世界上 已成功运行制造了为数不少的氦气压气机n 0 1 ，但国内有关氦气压气机的研究 还刚刚处于起步阶段。关于高温气冷堆的文献资料多是运行相关，或从整体 循环的角度进行研究和探索，少有具体到基元级设计参数相关口畸儿6 川盯钔n ”。 但亦有为数不多的文献有所涉及。比如文献 6 7 中提到，不同工质的压 缩机级最佳参数的选择。若建造以氮气为工质的压缩机时，可以全部利用在 制造空气压缩机的实践中所积累的经验，因为氮气的主要气体动力常数( 绝 热指数k 和气体常数r ) 和空气的类似的常数相差很少。在设计氮气压缩机 时，可以应用大量的平面叶栅吹风的结果，也可以应用关于选择压缩机级参 数方面的推荐。但对于氦气来说，其气体动力常数和氮气及空气的气体动力 常数相差很多，对于氦气k = - i 6 7 ，比气体常数取2 0 7 7 ，空气k - - 1 4 ，比气体 常数取2 8 7 。在温度t l = 3 1 0 k 时，氦气中的声速等于9 4 0 米秒。在同一个 x = - k 值和相同的其它条件下，在压缩机中压缩l 公斤氦气所必须消耗的功 约比压缩1 公斤氮气所必须消耗的功大4 倍。( 该数据有误，应为o 7 倍。况 且比较压缩功应该是比较相同压比时的压缩功，即4 7 倍，而并非在同一个 x ： k 值的条件下比较) 于是，该文献提出了氦气压气机不同于典型氮气( 空 气) 压缩机典型速度三角形的速度三角形，见图1 1 。但该文献出版年代较早， 完全没有考虑氦气在叶栅中流动与空气的不同，仅仅从增加扭速即增加气流 折转角的角度进行考虑，却无视气流折转角的增加则意味着附面层的加厚甚 至分离这一事实，气流转折角的增加，会导致叶栅负荷增大，气流易产生脱 离，损失增加；且气流转折角增加，叶栅稠度对流动的影响会随之变大。 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图1 1 轴流式压缩机基元级的速度三角形啷1 图1 1 中a ，可能的氦气压缩机级的速度三角形，t l = 3 1 0 k ：u k = 3 0 0 m s ； b t = 1 o ；s = 8 。1 0 ；屈= 7 4 。3 0 ；厥= 8 2 。2 0 。图1 1 中b ，建议的氦气压缩 机级的速度三角形，f = 3 8 。；届= 6 0 。；历= 9 8 。 其余文献大多皆从整机的观点进行研究n 川n 2 制。 比如文献 9 中提到，目前高温气冷堆采用闭式循环氦气轮机。要面临的 问题之一就是，氦气压气机和涡轮机的设计和制造。又提及所有的研究结论 都认为移动气轮机是最佳的解决方式，如荷兰的n e r e u s 。 日本的g t h t r 3 0 0 项目也多次提到，在研究中由于氦气压气机的不确定 性以及其他因素，所以需要进行实验。j a e r i 对氦气压气机采取了1 3 的模 型实验，并进行了运行实验口町唧3 。 近年来许多国家都投入相当的人力物力并广泛开展国际合作研究开发高 温堆氦气透平循环方案，令人瞩目的有南非的p b m r 和美国与俄罗斯合作的 g t - m h r 。但迄今为止，无论是商用模块式高温堆还是与之相匹配的氦气透 平都停留在研究设计阶段，许多理论问题和技术难点有待于探索解决。 1 3 1 2 国内相关研究状况 我国“8 6 3 规划中清华大学设计建造了热功率为1 0 m w 的实验性高温气 冷堆。在h t r 1 0 成功建造和运行的基础上，2 0 0 3 年，“高温气冷堆氦气透平 直接循环发电系统被列入国家8 6 3 计划攻关项目，其目标是将气体透平与模 l o 哈尔滨工程大学硕士学位论文 块式高温气冷对相结合，利用高温堆产生的高温工质直接推动气体透平以实 现更高的发电效率，这是高温气冷堆领域的重要发展方向之一，也是高温气 冷堆除固有安全性以外具有强大的生命力的一种体现。 氦气透平压气机组是氦气透平压气机直接循环发电系统的核心部件，我 国氦气透平压气机组遐前己完成了方案设计和技术设计，并通过了设计评审， 已开始旌工建造l l 。清华大学高温气冷堆氦气透平直接循环系统 ( h 低1 0 g t ) 的特性研究已进行了许多，但大多是针对理论上的布雷登循 环做特性研究。或是考虑整机的实际循环特性研究n 培班2 糟 “班秘。 文献 1 6 】及 7 4 】中分别以氦气和水蒸气为工质在相同的进出口压力下进 行了计算。得出了氦气透平m a 数较低，流量小，时片短，级数大的结论。 文献 7 2 1 q b 提到，在氦气压气机的设计参数选择要求采用相对较大的进 口轴向速度、较高的反动度来提高平均级压比。 文献 7 3 1 q b 提至| j ，利用n u m e c a 数值模拟软件对一亚音速轴流氦气压气机 实验机进行了气动性能及准数关系研究。在相似的条件下，采用空气工质模 拟氦气压缩，在马赫数小于o 4 工况下对压气杌的通流流动影响很小，基本 可以忽略。 1 3 2 国内外叶栅相关研究状况 气体在叶轮机械中的流动是一种内部流动，相对于外部流动丽言，内部 流动问题往往有较多的作用力项和较复杂的边界条件，因此研究起来相对比 较网难。而在各种内部流动中，叶轮机械内部流场晟为复杂，它是一种有粘、 可压、菲定常的三维流动。由于包含旋转部件，描述其流动的数学模型一一 控制方程中含有离心力项和哥氏力项，边界条件中含有周期性边界条件，还 要计及多排动静叶排之间的相互干扰、轴向和径向间隙、以及激波和涡系的 相瓦影响、激波与附面层的相互作用、流动与圆体之间的耦合作用、流动与 传热的相互作用、气固和气液两相流动、真实气体效应等，因此叶轮机械内 部流动的图谱异常复杂两又十分丰富。 叶轮机械效率与其通流部分的流动效率紧密相关。对叶栅内部流动规律 的研究基本上有三种研究方法：一是理论分析，二是实验测试，三是数值计 算。理论分析公式严谨，求解缜密，但只能适用于简单的流动条件和简单的 凡何形状；实验测试能够研究一些复杂几何形状下的复杂流动，但昂贵费时， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 j i l l l l l l ；j l l l l l 蔷宣i i i i ；i 赫黼；i ；戮省；i i ；罱喾；宣；暑i ；葺黼黼篁i ；i 戮蕊宣i ；i ；若眷誊 所研究的因素也受到限制，并且难于测量复杂流动的详细结构等：数值计算 能够计算理论流体力学所不能求解的复杂几何形状下的非线性复杂流动，可 以模拟复杂流动的细微结构，并且经济省时，能代替部分风洞实验，起到“数 值风洞”的作用，也便于做孤立因素的优化分析。但是，由于现有的数值解 的数学理论尚不完善，以及计算机性能的限制，在计算流体动力学中必须采 用一些模型方程和经验参数，再依靠实验对比和理论分析，验证计算方法的 可靠性，从而改进计算方法。 事实上，这三种研究方法缺一不可，三者既相互依存又相互促进，既相 互补充又相互校正，只有将它们有机的结合起来才能成功地揭示流动的基本 规律，提供丰富的流场信息。 1 3 2 1 平面叶栅的实验研究 风洞吹风实验是进行空气动力学实验最经济、效果最好、应用最广泛的 方法。风洞实验法的优点是测量方便，气流参数如速度、压强等易于控制， 且基本上不受天气变化的影响，实验费用低。其不足之处是风洞模型流场受 风洞壁面和模型支架( 用于航空的风洞) 等的干扰，一般不能做到模型流场与 原型流场完全相似。两且，随速度范围和用途不同，需建造多座不问的风洞。 风洞有两类基木型式。第一类称为开路式( o p e n c i r c u i t ) 或“埃弗尔” ( e i f f e l ) 式或n p l 式风洞，它没有空气导流回路。第二类称为闭路式 ( c l o s e d c i r c u i t ) 或“普朗特”( p r a n d t l ) 式、“哥丁根”( g u t t i n g e n ) 式或“回流式， ( r e t u r n f l o w ) 风洞啪一 。用于叶轮机械叶栅吹风实验的风洞，其实验段的结 构基本上可分为平面和环形叶栅实验风洞。 平面叶栅作为透平机械三维流动特性分析的最简化模型，在整个透平机 械的研究与发展中具有极其重要的意义。目前，平面时栅实验研究的重点为 叶栅内部及其下游流场的定性和定量研究，人们对平面叶栅二次流及损失机 理的实验研究主要进行了以下几个方面工作：1 叶栅前缘涡的流动结构特性 与损失机理，随着冲角和时片形状的变化前缘涡( 包括马蹄涡) 结构、强度、 尺度及损失的变化恤8 矧；2 叶栅内部及其下游三维时均流场的详细测量和 损失机理分析鼬3 ，从中我们还可看到大、小转角透平时瓣、扩压叶栅，以 及有间隙流时的流场特性，包括二次流及损失增长的特点等：3 不同流动参 数( 如进口附面层、攻角、湍流度、雷诺数和马赫数等) 嗽3 和叶栅几何参数 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 如叶片展弦比和几何折转角等) 3 钙对叶二次流发展的影响；4 时栅内部及下 游流的湍流特性分析2 3 。这些研究工作加深了我们对叶栅中各种旋涡及其 分离流的认识，霹时也对时栅内部损失产生和发展豹认识以及对三维粘性流 动计算方法的发展，都起到了非常积极的推动作用。 1 。3 。2 ，2 平面卧棚的数值模拟 数值模拟( 数值实验) 是随计算流体动力学、计算机技术和数值计算方法 的发展丽形成的流体动力学的一个分支。在数值模拟方面，五十年代初，吴 仲华先生提出了两类流面迭代求解三维流场的近似处理方法口钔，将三维无粘 流动方程组分解为两个相关的二维方程组求解，大大简化了计算，为在当时 计算机技术条件下数值计算方法的发展建立了理论基础。六、七十年代，基 于吴氏理论的叶栅流场数值研究在世界范围内得到蓬勃发展，s m i t h 印发展了 基于径向平衡方程的流线曲率法，d e n t o n 口7 3 发展了叶轮机械内无粘全三维流 场计算方法。在八十年代以前叶轮机械内部流场的数值分析基木上都是基于 无粘模型的，无法评价流动中的损失和传热效应等。轴流式时轮机械( 包括各 种原动机和工作机) 是具有高速旋转运动部件的动力机械，其通流部分中动、 静叶攘的相互于涉十分强烈，从面形成了具有强三维非定常特性的内部湍流 流场。并且随着叶轮机械向高负荷方向的发展，叶栅流道内的流动非常复杂， 常常同时存在着亚音、跨音和超音流动，以及各种形式的二次流涡系和激波。 因此，要想很好地模拟其内部复杂的流动规律，应该求解全三维的 n a v i e r - s t o k e s 方程组。 大约在八十年代初期，人们开始采用n a v i c r - s t o k e s 方程组进行叶轮机械 内部三维粘性流场数值研究。国内由于计算机水平的限制，叶轮机械三维粘 性流场的数值研究工作开展相对较晚。在八十年代初期，陈乃兴等开始了叶 轮机械内部三维粘性流场的数值理论研究踮嘲。八十年代以来，陈乃兴、沈 盂育、徐建巾、王仲奇、刘斌、衰新、丰镇平等一批学者相继开展了叶轮机 械三维粘性流场的数值研究工作。进入九十年代以来，由于计算机硬件水平 和c f d 技术的不断进步，已经可以数值模拟叶轮机械多级和整机内部复杂的 三维粘性流场，丽目精度和速度都能满足工程设计的需要。 到目前为止，基于n a v i e r - s t o k e s 方程组解的数值模拟可以为工程提供比 较可靠和精确的结果。 1 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 回顾叶轮机械内部流动的数值模拟方法的发展，我们已经从流函数法、 势函数法和流线曲率法发展到今天的直接求解原参数的强守恒型方程组。 目前应用较多的数值求解方法大致可分为：有限元法和有限差分法( 包括 有限体积法) 两类。有限元法根据变分原理对流场变分求解，比较适合于求解 椭圆型方程。有限差分法在流体力学领域应用相对广泛，主要包括压力修正 法和时问推进法h 州剀。压力修正法求解定常n a v i e r - s t o k e s 方程组，通过不断 修正压力场直至得到定常的解：时间推进法则