氦气轴流压气机相似模化研究

论文摘要

HTGR-10（模块式高温气冷堆）作为第四代先进的反应堆型具有系统简单、安全可靠和经济性能优越等特点。HTGR-10采用Brayton直接循环系统进行能量转换,它的特点是透平压气机与系统的其他设备密封于同一单元内,保证了良好的安全性。它由两部分系统组成即:反应堆单元（RU）和能量转换单元（PCU）。氦气轴流式压气机作为高温气冷堆能量转换单元的关键部件之一,其性能直接影响系统的发电性能。准确地估算氦压气机气动性能对于系统整体设计及运行是很重要的。此外在氦气轴流压气机研制过程中的试验环节涉及氦气消耗、闭式循环密封系统建造和较大的功率供给,试验总成本代价较大,而做空气试验就相对容易得多,这时必须考虑氦气和空气之间的相似模化问题。本文以氦气压气机高压段第一级为模拟级,对其进行了相似模化分析与试验研究。其参数为:氦气轴流压气机的轴向速度≤200m/s,氦气流量4.72kWs,进口压力1.0253×106pa,入口温度35.5℃。在氦气压气机采用空气模化过程中的关键是正确确立相似准则,为此本文在相似理论分析的基础上,基于确定物理量方法、微分方程法和量纲分析法分别推导出此相似过程的相似准则,并加以分析筛选,确定出空气模化该氦气压气机的相似准则为Sr、Re、Eu。在模化方法确立上,本文以理论分析所建立的相似准则确立模化方法,并将它和传统的模化方法、ASME PTC-10压缩机和排气机动力试验规程规定模化方法进行了比对。分别对前两种方法制定出模拟方案,对第三种模拟方法分析的结论是ASME PTC-10压缩机和排气机动力试验规程不适用于氦气压气机的空气模化问题,同时也对单级模拟向多级模拟进行了相应的理论论证。采用NUMECA数值模拟软件分别对本文建立的氦气压气机空气传统模拟方案、新模拟方案进行验证,分析了氦气压气试验机的气动性能及其气流在叶栅中的流动机理,为氦气轴流压气机设计和氦气封闭循环试验工作提供参考依据。对其气动性能分析的结论是:采用空气工质模拟氦气,马赫数小于0.37,马赫数对压气机的通流流动影响很小,采用大于0.5的反动度,增加正预旋可以使效率维持较高的水平,CFD计算对比分析以上模拟方案表明本文提出的以Sr、Re、Eu为相似准则的新模拟方案效果良好。最后针对HTGR-10氦气轴流压气机高压段第一级的设计方案,进行了完整的氦气压气机试验和空气模拟试验,并且在不同工质、不同操作压力、转速下分别测定了氦气和空气作为工质时压气机试验数据。首次采用数值模拟获得氦气轴流压气机的特性曲线,并通过封闭循环试验台对其进行验证,绘制出氦气和空气工质的特性曲线,对比分析不同的模拟方案的数值及试验结果,通过模拟方案和设计方案总体计算结果及流场对比、分析,证明利用本文推导出的相似准则建立的模拟方案优于其他方案,而且模化参数的计算简单、物理意义明确、易于实际应用。该研究解决了氦气压气机空气模化的难题,也为后续的空气模拟整机氦气压气机试验提供了理论依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 研究目的和意义
• 1.3 国内外研究概况
• 1.3.1 高温气冷堆发展概述
• 1.3.2 闭式循环燃气轮机
• 1.3.3 循环工质的选择
• 1.4 氦气压气机国外研究状况
• 1.5 氦气压气机国内研究状况
• 1.6 本论文的主要内容
• 1.7 本章小结
• 第2章 氦气轴流压气机模化的理论研究
• 2.1 相似模化方法
• 2.2 相似模拟概念
• 2.3 相似理论体系及相似理论三定理
• 2.3.1 相似的概念
• 2.3.2 相似第一定理
• 2.3.3 相似第二定理
• 2.3.4 相似第三定理
• 2.4 相似准则的推导方法
• 2.4.1 确定物理量方法
• 2.4.1.1 概念
• 2.4.1.2 基本原理
• 2.4.1.3 确定物理量法在氦气压气机相似模拟应用
• 2.4.2 微分方程法
• 2.4.2.1 概念
• 2.4.2.2 基本原理
• 2.4.2.3 微分方程法在氦气压气机相似模拟应用
• 2.4.3 量纲分析法
• 2.4.3.1 概念
• 2.4.3.2 量纲分析法原理
• 2.4.3.3 量纲分析方法确定的相似准则
• 2.4.3.4 无量纲数群的分析
• 2.4.3.5 量纲分析法氦气压气机相似模拟应用
• 2.5 应用于氦气压气机研究的相似准则分析
• 2.6 本章小结
• 第3章 氦气轴流压气机相似方模化方法的确定
• 3.1 传统相似模化方法
• 3.2 新相似模化方法
• 3.3 根据ASME PTC-10规程相似模化方法
• 3.3.1 试验类型确定
• 3.3.2 试验模拟方案分析
• 3.4 单级相似模化向整机相似模化转化
• 3.4.1 假设条件
• 3.4.2 整机相似模化分析
• 3.4.2.1 动叶进出口平均半径处速度三角形相似验证
• 3.4.2.2 氦气和空气平均半径处静叶进出口角相等验证
• 3.4.2.3 其他气动参数确立
• 3.4.2.4 多级叠加计算
• 3.5 本章小结
• 第4章 数值方法验证
• 4.1 引言
• 4.2 数值方法
• 4.2.1 FINE/TURBO介绍
• 4.2.1.1 控制方程
• 4.2.1.2 计算方法
• 4.2.1.3 湍流模型
• 4.2.1.4 边界条件处理
• 4.2.1.5 前处理与后处理
• 4.2.2 边界条件与数值模拟
• 4.2.2.1 热力参数计算结果及造型设计
• 4.2.2.2 计算网格及湍流模型
• 4.2.2.3 工质及初始边界条件
• 4.2.2.4 计算结果及分析
• 4.3 本章小结
• 第5章 实验装置和数据处理
• 5.1 实验台简介
• 5.2 实验件
• 5.3 测量与控制系统
• 5.3.1 测试内容
• 5.3.1.1 转速测量
• 5.3.1.2 流量测量值
• 5.3.1.3 压比测量
• 5.3.1.4 效率测量
• 5.3.1.5 其他需要监视的数值
• 5.3.2 测试方法
• 5.3.2.1 转速测量
• 5.3.2.2 压力测量
• 5.3.2.3 温度测量
• 5.3.3 测量参数和测量精度
• 5.3.4 试验过程
• 5.3.5 试验数据记录
• 5.4 本章小结
• 第6章 数据处理及其试验结果分析
• 6.1 试验数据处理
• 6.1.1 误差分析
• 6.1.2 测试参数折合计算
• 6.1.3 结果和分析
• 6.2 本章小结
• 结论
• 一、全文总结
• 二、论文主要创新点
• 三、未来工作的展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢
• 个人简历
• 附录