高负荷氦气压气机设计与改进研究

论文摘要

近年来,国际上提出了“第四代先进核能系统”的概念,这种核能系统具有良好的固有安全性,在经济上能够和其它发电方式竞争,并具有建设期短等优点。高温气冷堆是最有希望成为第四代先进核能系统的技术之一。高温气冷堆氦气轮机是高温堆的关键设备,而氦气压气机的气动设计是难点之一本文以日本300MW高温堆中的氦气压气机总体参数为目标,应用CFD软件进行数值模拟开发氦气扩压叶栅,研究氦气压气机气动设计特点和气体动力学方面的基本特性。分析氦气压气机重要设计参数的选取,并通过厚度分布叠加于中弧线,二次多项式控制中弧线折转规律,四次多项式控制厚度分布规律,四次多项式控制最大厚度位置得到初始叶型。三维数值模拟结果显示该叶型设计方案可以达到所需的气动设计目标。针对氦气压气机单级压比小、级数多的特点,研究高负荷设计方案。采用大流量系数、大载荷系数、高反动度措施,数值模拟分析该高负荷氦气叶栅的气动性能和流场特点。针对高负荷带来的严重三维分离特点,采取了中弧线最大弯度位置控制、调整动叶负荷径向分布、改变径向相对厚度重新积叠、定制根部顶部叶型、静叶弯曲设计等三维叶型改进和三维叶型设计技术,达到了抑制角区分离流动、减弱通道涡强度和尺寸、减小顶部间隙损失的目的,提高叶栅内流动性能,使得单级压比由1.03提高至1.05,级数减少了6级,并在设计转速全工况下,保证了高效率和宽的稳定工作范围。针对氦气的特殊性对某新型速度三角形进行研究,探讨其应用特点,并采用数值模拟手段将该速度三角形应用于氦气压气机三维叶栅中,达到进一步增加压比的目的。研究反动度的选取对氦气压气机叶栅气动性能的影响,结果表明负荷越大,采用高反动度的优势越明显。为了进一步接近设计目标,改变动叶负荷径向分布,减少积聚于根部的低能流体；研究新型叶栅厚度对气动性能的影响,结果表明,叶片减薄可以实现更好的扩压,提高叶栅流动性能。新型速度三角形可以成功实现氦气压气机高负荷目的,单级压比增至1.08,级数减至6级。对比分析压比和效率曲线,表明该新型高负荷设计在设计转速下保证高效率和足够的喘振裕度。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究大背景
• 1.2 国内外高温气冷堆发展历程
• 1.2.1 国外高温气冷堆发展
• 1.2.2 国内高温堆研究现状
• 1.3 闭式循环氦气轮机发展
• 1.3.1 循环方式与工质
• 1.3.2 循环方案优化
• 1.4 高负荷氦气压气机研究现状
• 1.4.1 国外现状
• 1.4.2 国内研究
• 1.5 论文工作的目的和研究内容
• 第2章 数值模拟方法及流动损失研究机理
• 2.1 引言
• 2.2 数值计算方法
• 2.2.1 控制方程
• 2.2.2 湍流模式
• 2.2.3 计算网格
• 2.3 压气机中流动损失与旋涡结构分析
• 2.3.1 流动分离
• 2.3.2 三维分离拓扑结构
• 2.4 数据处理
• 2.4.1 二次流定义
• 2.4.2 数据处理公式
• 2.5 本章小结
• 第3章 氦气压气机初步设计
• 3.1 引言
• 3.2 氦气压气机重要设计参数选择
• 3.2.1 压气机通流部分形式选择
• 3.2.2 压气机总功在各级的分配
• 3.2.3 级的反动度
• 3.2.4 流量系数
• 3.2.5 载荷系数
• 3.2.6 圆周速度的选择
• 3.2.7 叶栅稠度、相对叶高、径向和轴向间隙的选择
• 3.3 氦气压气机研究分析过程
• 3.3.1 设计步骤
• 3.3.2 叶片成型
• 3.4 数值模拟结果与分析
• 3.4.1 数值模拟与边界条件
• 3.4.2 气动设计结果
• 3.4.3 结果与讨论
• 3.5 本章小结
• 第4章 高负荷氦气压气机设计及三维改进
• 4.1 引言
• 4.2 针对氦气的高负荷设计方案研究
• 4.2.1 流量系数
• 4.2.2 载荷系数
• 4.2.3 反动度
• 4.2.4 圆周速度
• 4.3 高负荷气动设计结果
• 4.4 高负荷气动性能分析
• 4.4.1 静压系数及负荷分布
• 4.4.2 壁面流线图
• 4.4.3 质量平均总压损失系数
• 4.5 高负荷三维改型设计
• 4.5.1 叶型中弧线最大弯度位置对气动性能的影响
• 4.5.2 展向负荷分布对氦气流场的影响
• 4.5.3 叶片厚度径向变化对三维流场的影响
• 4.5.4 定制叶型
• 4.5.5 弯曲静叶对气动性能影响
• 4.5.6 特性分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 高负荷氦气压气机新型叶型研究
• 5.1 氦气压气机新型叶栅
• 5.1.1 针对氦气工质的新型速度三角形
• 5.1.2 新型高负荷氦气压气机数值模拟
• 5.2 级负荷与反动度的关系研究
• 5.3 径向负荷分布对气动性能的影响
• 5.3.1 出口不等环量分布
• 5.3.2 静压及负荷分布
• 5.3.3 叶栅沿流向熵增变化
• 5.4 叶片厚度对气动性能的影响
• 5.4.1 叶片表面静压系数分布
• 5.4.2 质量平均总压损失系数分布
• 5.4.3 角区极限流线和分离
• 5.5 特性分析
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢