趙洪雷，來(lái) 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(guó)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(guó)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(lái)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(jiǎn)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(lái)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(jí)壓比小，級(jí)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(jí)設(shè)計(jì)來(lái)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)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(jì)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(duì)高溫氣冷堆氦氣壓氣機(jī)高壓級(jí)的系統(tǒng)研究，國(guó)內(nèi)外很少有文獻(xiàn)發(fā)表。本文采用實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)某氦氣壓氣機(jī)高壓級(jí)的氣動(dòng)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(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)在中船重工703研究所的氦氣壓氣機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)(圖1)上進(jìn)行。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)可進(jìn)行單級(jí)性能實(shí)驗(yàn)和整機(jī)性能實(shí)驗(yàn)，主要包括動(dòng)力系統(tǒng)、閉式循環(huán)管路系統(tǒng)、氦氣實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、控制與數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)等。

實(shí)驗(yàn)件為中船重工703研究所設(shè)計(jì)的氦氣壓氣機(jī)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的高壓級(jí)，其模型如圖2所示。圖3為此高壓壓氣機(jī)動(dòng)葉和靜葉的模型圖。單級(jí)實(shí)驗(yàn)時(shí)進(jìn)口加裝導(dǎo)向葉片。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

氦氣壓氣機(jī)高壓級(jí)的性能集中體現(xiàn)在流量、壓比、效率等幾方面。由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的溫度、壓力條件與設(shè)計(jì)點(diǎn)的環(huán)境有一定差別，故在利用所測(cè)進(jìn)出口壓力、溫度等數(shù)據(jù)計(jì)算得到特性線的過(guò)程中，采用向設(shè)計(jì)點(diǎn)折合的方法近似消除環(huán)境差異帶來(lái)的影響。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所得特性線如圖4所示。其中，100%為設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下的特性線，85%、70%分別為85%設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速和70%設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下的特性線；下同。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下，此壓氣機(jī)高壓級(jí)設(shè)計(jì)壓比(1.05)時(shí)效率略低，在80%左右，但與預(yù)計(jì)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(shí)驗(yàn)臺(tái)示意圖及實(shí)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(dòng)葉和靜葉模型Fig.3 Models of rotor and stator

圖4 特性線(實(shí)驗(yàn))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(jì)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(wú)滑移邊界條件。計(jì)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(jì)算網(wǎng)格示意圖，具體網(wǎng)格數(shù)見表1。

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

3.2 數(shù)值計(jì)算方法驗(yàn)證

由于實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)較多，且部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較為接近或重復(fù)，所以選取典型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬來(lái)驗(yàn)證計(jì)算的可靠性。

圖6給出了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，圖中流量采用與設(shè)計(jì)點(diǎn)流量的相對(duì)值表示。從圖中可看出，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較接近，并且在趨勢(shì)上與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本相同(特別是在設(shè)計(jì)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(jí)。

4 性能分析

對(duì)此氦氣壓氣機(jī)高壓級(jí)，采用與數(shù)值驗(yàn)證時(shí)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(duì)比Fig.6 Comparison of characteristic lines

考慮到實(shí)驗(yàn)裝置安全等限制，特別是為了實(shí)驗(yàn)件中的主要部分可用于未來(lái)的多級(jí)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)時(shí)沒有進(jìn)行超轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)。但數(shù)值模擬時(shí)對(duì)40%～130%設(shè)計(jì)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(jì)轉(zhuǎn)速，110%設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速，120%設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速和130%設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速)，設(shè)計(jì)壓比(1.05)以上區(qū)域，效率變化不大。無(wú)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(jì)點(diǎn)第一級(jí)動(dòng)葉和第一級(jí)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(jì)點(diǎn)進(jìn)口總壓的比值表示。從圖中看，第一級(jí)動(dòng)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(jí)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(cuò)。

4.3 流線

圖9分別給出了設(shè)計(jì)點(diǎn)的進(jìn)口導(dǎo)葉、第一級(jí)動(dòng)葉和第一級(jí)靜葉的極限流線。其中，為更好顯示，動(dòng)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(jí)動(dòng)葉吸力面根部尾緣附近角區(qū)和第一級(jí)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(dòng)相對(duì)穩(wěn)定。

圖7 特性線(計(jì)算)Fig.7 Characteristic lines(computation)

圖8 表面靜壓Fig.8 Static pressure of surface

圖9 設(shè)計(jì)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(jí)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(jí)設(shè)計(jì)點(diǎn)時(shí)表面靜壓分布較為合理，流動(dòng)分離不大，性能良好。

(3)此氦氣壓氣機(jī)高壓級(jí)效率略低，下一步可改進(jìn)設(shè)計(jì)以提高其性能。

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