氦气压气机高压级实验研究及性能分析

赵洪雷，来 亮，徐立民，谭春青

(1.中船重工七〇三研究所，黑龙江哈尔滨150036；2.中国科学院工程热物理研究所，北京100190)

1 引言

高温气冷堆(HTGR)是国际原子能机构推荐的下一代(第四代)反应堆型，是未来核能领域的重要发展方向之一[1～3]。高温气冷堆一回路直接采用氦气轮机发电(布雷顿循环)，可简化高温气冷堆能量转换装置所必需的设备，减少设备运行与维护成本，降低投资，且发电效率可达50%[4～6]；而采用二回路蒸汽透平作为能量转换装置(朗肯循环)，发电效率只有30%左右。高温气冷堆一回路氦气闭式循环燃气轮机直接发电，是未来核电站的重要发展方向。

氦气压气机是氦气轮机的核心部件之一。相比常规燃气轮机的压气机，由于氦气与空气物性相差较大，难以压缩，所以氦气压气机单级压比小，级数多，均采用间冷器。氦气压气机的高、低压压气机，一般均采用重复级设计来简化设计和加工难度。高压压气机的运行工况最为恶劣，集中体现了设计中遇到的大轮毂比、高叶栅稠度、小流道、低雷诺数的影响，反映的问题具有显著的代表意义，是高温气冷堆高效发电的难点和关键。

目前，针对高温气冷堆氦气压气机高压级的系统研究，国内外很少有文献发表。本文采用实验的方法对某氦气压气机高压级的气动性能进行研究，并采用数值模拟的方法进一步分析其性能。

2 实验研究

2.1 实验装置

实验在中船重工703研究所的氦气压气机实验台(图1)上进行。该实验台可进行单级性能实验和整机性能实验，主要包括动力系统、闭式循环管路系统、氦气实验系统、控制与数据采集分析系统等。

实验件为中船重工703研究所设计的氦气压气机实验样机的高压级，其模型如图2所示。图3为此高压压气机动叶和静叶的模型图。单级实验时进口加装导向叶片。

2.2 实验结果

氦气压气机高压级的性能集中体现在流量、压比、效率等几方面。由于实验过程中的温度、压力条件与设计点的环境有一定差别，故在利用所测进出口压力、温度等数据计算得到特性线的过程中，采用向设计点折合的方法近似消除环境差异带来的影响。根据实验数据所得特性线如图4所示。其中，100%为设计转速下的特性线，85%、70%分别为85%设计转速和70%设计转速下的特性线；下同。从实验结果看，在设计转速下，此压气机高压级设计压比(1.05)时效率略低，在80%左右，但与预计的性能相差不大，可应用到氦气压气机整机研制中。

图1 实验台示意图及实物照片Fig.1 Schematic diagram and picture of test rig

图2 高压压气机模型Fig.2 High-pressure compressor model

图3 动叶和静叶模型Fig.3 Models of rotor and stator

图4 特性线(实验)Fig.4 Characteristic lines(test)

3 数值模拟

3.1 数值模拟方法

数值模拟采用Numeca软件，定常计算，湍流模型采用Spalart-Allmaras模型，空间离散采用二阶迎风格式。边界条件为进口给定总压、总温、气流角，出口给定静压，壁面给定无滑移边界条件。计算网格采用HOH型网格，即入口段、出口段采用H型网格，叶片域采用O型网格，间隙区域采用蝶型网格。图5为计算网格示意图，具体网格数见表1。

表1 计算网格汇总Table 1 Collection of calculation grids

3.2 数值计算方法验证

由于实验所得数据较多，且部分实验数据较为接近或重复，所以选取典型实验数据对其进行数值模拟来验证计算的可靠性。

图6给出了数值模拟和实验结果的对比，图中流量采用与设计点流量的相对值表示。从图中可看出，模拟结果与实验结果比较接近，并且在趋势上与实验结果基本相同(特别是在设计点附近)，可认为数值模拟能有效模拟此氦气压气机高压级。

4 性能分析

对此氦气压气机高压级，采用与数值验证时相同的湍流模型、边界条件、离散方式和网格拓扑方式等进一步数值模拟，分析其性能。

4.1 特性线

图6 特性线对比Fig.6 Comparison of characteristic lines

考虑到实验装置安全等限制，特别是为了实验件中的主要部分可用于未来的多级实验，实验时没有进行超转实验。但数值模拟时对40%～130%设计转速下的特性进行了模拟，得到的特性线如图7所示。从图中可看出，在高转速(设计转速，110%设计转速，120%设计转速和130%设计转速)，设计压比(1.05)以上区域，效率变化不大。无论是流量-压比特性还是流量-效率特性，均与典型压气机特性线较为相似。

4.2 表面静压

图8给出了设计点第一级动叶和第一级静叶在叶片根部(约10%叶高)、叶片中部(约50%叶高)和叶片顶部(约90%叶高)的表面静压，图中静压用表面静压与设计点进口总压的比值表示。从图中看，第一级动叶根部、中部和顶部的进口冲角均不大，基本接近零冲角，叶型损失较小，效率较高。第一级静叶根部和中部有小的正冲角，顶部正冲角略大，增大了失速发生的可能性，有待进一步改进；静叶后部的逆压梯度不大，总体性能不错。

4.3 流线

图9分别给出了设计点的进口导叶、第一级动叶和第一级静叶的极限流线。其中，为更好显示，动叶根部和吸力面的极限流线图，以及静叶顶部和吸力面的极限流线图进行了适当旋转。从图中可看出，第一级动叶吸力面根部尾缘附近角区和第一级静叶吸力面顶部尾缘附近角区均有一局部分离区，但分离较弱，流动相对稳定。

图7 特性线(计算)Fig.7 Characteristic lines(computation)

图8 表面静压Fig.8 Static pressure of surface

图9 设计点极限流线Fig.9 Limit streamline at design point

5 结论

(1)此氦气压气机高压级性能较好，可应用到氦气压气机整机研制中。

(2)此氦气压气机高压级设计点时表面静压分布较为合理，流动分离不大，性能良好。

(3)此氦气压气机高压级效率略低，下一步可改进设计以提高其性能。

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