氦氣透平技術(shù)在高溫氣體冷卻反應(yīng)堆中應(yīng)用回顧

1、氦氣透平技術(shù)在高溫氣體冷卻反應(yīng)堆中應(yīng)用回顧HEE CHEON NO , JI HWAN KIM and HYEUN MIN KIM韓國科學(xué)技術(shù)院核與量子工程部，韓國* 通訊作者，E-mail : hcno.kaist.ac.kr2007年1月接收當(dāng)前高溫氣冷堆（HTGRs）是基于氮?dú)庾鳛楣べ|(zhì)的封閉的布雷頓循環(huán)。 軸流式氮?dú)馔钙降臒崃W(xué)性能至關(guān)重要，因?yàn)樗鼧O大的影響這整個(gè)循環(huán)效率。由 于氮?dú)獾奈锢硇再|(zhì)和在高壓下低壓縮比造成的特殊操作條件，和蒸汽或空氣渦輪 機(jī)械相比，氮?dú)馔钙降脑O(shè)計(jì)更有挑戰(zhàn)性。這份報(bào)告主要總結(jié)了在日本和德國的 氮?dú)獠祭最D循環(huán)應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，也涉及了用于高溫氣冷堆的氮?dú)馔钙降脑O(shè)計(jì)和可用

2、性。我們已經(jīng)開發(fā)出一種新的通流計(jì)算代碼來計(jì)算氮?dú)馔钙皆O(shè)計(jì)點(diǎn)的性能。該方 法的使用在GTHT300說明書中有詳細(xì)說明。關(guān)鍵詞：高溫氣冷堆，燃?xì)廨啓C(jī)，通流分析，氮?dú)?.簡(jiǎn)介高溫氣冷堆主要在英國，德國和美國發(fā)展，始于20世紀(jì)60年代，在20世紀(jì) 90年代早期，更先進(jìn)的將高溫氣冷堆和燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)相結(jié)合的概念 被提出來。下一代核反應(yīng)堆的探索和研究活動(dòng)在許多國家進(jìn)行，以實(shí)現(xiàn)高效 率和經(jīng)濟(jì)發(fā)電。在這方面，氮?dú)馔钙揭呀?jīng)廣泛的作為反應(yīng)器來研究，特別是 在高效發(fā)電方面，基于封閉的布雷頓循環(huán)，替代傳統(tǒng)的郎肯蒸汽循環(huán)。球床 模塊高溫氣冷堆（PBMR）燃?xì)廨啓C(jī)模塊氮冷反應(yīng)堆（GT-MHR）GTHRough300

3、 是使用氮?dú)馔钙窖h(huán)的典型項(xiàng)目。燃?xì)馔钙降淖钪饕囊粋€(gè)優(yōu)點(diǎn)就是相對(duì)于它的體積的非常高的輸出功 率。因此，燃?xì)馔钙揭呀?jīng)廣泛的用于飛行器的推進(jìn)裝置和電廠的發(fā)電設(shè)備。 開式循環(huán)吸氣燃?xì)馔钙揭卜e累了豐富的經(jīng)驗(yàn)?，F(xiàn)有的吸氣燃?xì)馔钙椒矫娴募?術(shù)可以用于閉式循環(huán)的氮?dú)馔钙綑C(jī)械。由于它的穩(wěn)定的放射性和高熱容量， 氮?dú)庖呀?jīng)被視為高溫氣冷堆燃?xì)馔钙降倪m當(dāng)?shù)倪x擇。雖然氮?dú)馔钙降脑O(shè)計(jì)遵 從現(xiàn)有的燃?xì)馔钙降脑O(shè)計(jì)習(xí)慣，但是由于氮?dú)獾奈锢硇再|(zhì)和核反應(yīng)的壓力的 不同，二者仍有明顯的差別。和空氣透平相比，氮?dú)馔钙降牟煌幵谟诟?短的葉片高度和更多的級(jí)。較短的葉片高度導(dǎo)致葉片頂端漏汽增加，導(dǎo)致效 率下降。大量透平級(jí)導(dǎo)致的更長的

4、流動(dòng)距離端壁邊界層的增長和二次回流， 同樣導(dǎo)致效率下降。由于氮?dú)鈮嚎s機(jī)的hub-to-tip比很高（各級(jí)均在0.9左右）， 為了獲得更高的效率和喘振裕度，葉片設(shè)計(jì)師必須考慮到二次回流損失。同 時(shí)，需要更先進(jìn)的葉片安裝技術(shù)來消除流動(dòng)分層，葉片葉需要適當(dāng)?shù)呐まD(zhuǎn)角 度以消除端壁附近的流動(dòng)變形。氮?dú)馔钙降拿芊庋b置也比空氣和蒸汽的要復(fù) 雜。盡管如此，氮?dú)馔钙饺杂性S多明顯的優(yōu)勢(shì)，包括比吸氣燃?xì)馔钙礁〉鸟R 赫數(shù)，更高的雷諾數(shù)。由于在壓縮機(jī)內(nèi)流動(dòng)不斷減速，頂部間隙和二次回流 在壓縮機(jī)內(nèi)的損失要比在透平中的要嚴(yán)重。由于設(shè)計(jì)和操作經(jīng)驗(yàn)豐富，空氣 壓縮機(jī)中損失的估算已經(jīng)十分精確，然而氦氣壓氣機(jī)方面的經(jīng)驗(yàn)卻積累的很

5、 少。這份報(bào)告主要從熱力學(xué)角度研究氦燃?xì)馔钙?。?yīng)力和振動(dòng)的分析，磁 性軸承的設(shè)計(jì)不再討論范圍內(nèi)。這份報(bào)告回顧了氦氣透平的運(yùn)作經(jīng)過并展示 高溫氣冷堆氦氣布雷頓循環(huán)的設(shè)計(jì)和可用性。我們還開發(fā)了一種新的通流設(shè) 計(jì)代碼，能夠估算氦氣透平設(shè)計(jì)點(diǎn)的性能影響。GTHTR300燃?xì)馔钙骄褪怯眠@ 種通流計(jì)算方法研究它的空氣動(dòng)力學(xué)性能的。2背景雖然隨著DRAGON，AVR，PEACH BOTTOM，THTR，F(xiàn)SV等反應(yīng)堆的運(yùn)行， 積累了許多技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，氦氣布雷頓循環(huán)重要的設(shè)計(jì)方面還沒有試驗(yàn)和證實(shí)。氦 氣透平閉式循環(huán)設(shè)計(jì)和操作方面的經(jīng)驗(yàn)還很有限。早期從德國兩臺(tái)試驗(yàn)設(shè)備上 積累的經(jīng)驗(yàn)以及最近的一個(gè)測(cè)試程序來評(píng)估在日本

6、的GTHTR300的三分之一等 級(jí)的多級(jí)氦氣壓縮機(jī)。2.1早期的氮?dú)獠祭最D循環(huán)經(jīng)驗(yàn)所有的早期的高溫氣冷堆都使用蒸汽循環(huán)，因?yàn)楫?dāng)時(shí)這是一種已經(jīng)成熟 的技術(shù)，而氦氣透平技術(shù)還不成熟。蒸汽透平循環(huán)是一個(gè)間接循環(huán)，需要蒸汽 發(fā)生器。蒸汽輪機(jī)循環(huán)的使用導(dǎo)致了引起了以下幾個(gè)問題：資本費(fèi)用的增加和 水流進(jìn)的可能性，蒸汽發(fā)生器管子養(yǎng)護(hù)要求高和氣體循環(huán)泵的使用。近期高溫 氣冷堆的設(shè)計(jì)計(jì)劃主要瞄準(zhǔn)氦氣透平循環(huán)，而不是蒸汽輪機(jī)。這個(gè)變化導(dǎo)致了 氦氣溫度升高，直接循環(huán)，緊湊的組合式概念的執(zhí)行。直接循環(huán)省去了蒸汽發(fā) 生器和蒸汽循環(huán)泵。氦氣透平的葉片大概0.1m長，而蒸汽透平的葉平長度超 過了 1m。所以，高溫氣冷堆和汽

7、水反應(yīng)堆相比經(jīng)濟(jì)上更有優(yōu)勢(shì)，盡管后者的 發(fā)電能力高于前者。因此，氦氣透平技術(shù)在高溫氣冷堆發(fā)展中非常重要。最早也是最大的氦氣透平在1968年建于德國。它在75C的額定功率是 50MW。值得注意的是設(shè)計(jì)中的氦氣透平GT-MHR的輸出功率是400MW。它是 1968年在一個(gè)高溫，氦氣冷卻的反應(yīng)堆中試驗(yàn)測(cè)試用來發(fā)電的（HHT計(jì)劃）， 反應(yīng)堆熱源有一個(gè)53.5MW的化石燃料加熱器產(chǎn)生。實(shí)驗(yàn)的運(yùn)行壓力達(dá)到了 1MPa左右。這個(gè)HHT計(jì)劃包括兩個(gè)試驗(yàn)設(shè)施。第一個(gè)設(shè)備是Oberhausen II 氦氣透平聯(lián)合發(fā)電廠，從1974年運(yùn)行到1988年。第二個(gè)設(shè)備Shiite 一個(gè)建于 1981年的高溫測(cè)試電廠（HH

8、V）。通過這些試驗(yàn)解決的主要問題是高溫葉片和 輪轂的材料性能轉(zhuǎn)子的動(dòng)力學(xué)性能。EVO是一個(gè)里程碑式的試驗(yàn)設(shè)施，在如今的高溫氣冷堆發(fā)展過程中扮演 了重要的角色。渦輪機(jī)械選擇了帶有兩個(gè)相互連接的齒輪的雙軸安排。第一軸 上高壓透平（圓周速度達(dá)到5500rpm ）驅(qū)動(dòng)低壓壓縮機(jī)和高壓壓縮機(jī)。抵押透 平直接和發(fā)電機(jī)相連，二者具有相同的圓周速度達(dá)3000rpm。氦氣的質(zhì)量流速 是84.8kg/s。高壓透平轉(zhuǎn)子的照片在圖1中。高壓透平和低壓透平分別有7級(jí) 和11級(jí)。高壓壓縮機(jī)和低壓壓縮機(jī)分別有15級(jí)和10級(jí)。EVO設(shè)備已經(jīng)運(yùn)行 了接近24000個(gè)小時(shí)，然而，它的最大電力輸出功率是30.5MWe，比使用氦 氣

9、布雷頓的高溫氣冷堆預(yù)想的設(shè)計(jì)輸出少得多。HHV有一個(gè)電力驅(qū)動(dòng)的透平機(jī)械，這個(gè)透平油一個(gè)軸上的一個(gè)2級(jí)透平 和一個(gè)8級(jí)壓縮機(jī)組成，二者具有相同的圓周速度，達(dá)3000rpm。圖2是HHV 透平的圖片。壓縮機(jī)所需功率是90MW，透平的輸出功率大概是46MW，電動(dòng)機(jī)提供45MW。質(zhì)量流速大概是200kg/s。初次運(yùn)行時(shí)，出現(xiàn)了漏油和多余的 氦氣泄露的事故。解決了這個(gè)問題后，HHV測(cè)試電廠成功運(yùn)行了大概1100小 時(shí)，測(cè)試結(jié)果顯示氦氣透平比預(yù)先設(shè)計(jì)的更有效率。他們發(fā)現(xiàn)蠕變和疲勞裂變 在高溫和氦氣冷卻劑中混有如碳之類的雜質(zhì)的情況下的生長是限制葉片和輪 轂機(jī)械壽命的主要因素。同時(shí)，未冷卻的透平零件的壽命據(jù)估

10、計(jì)大概在50000-60000小時(shí)，未冷卻的金屬葉片和輪轂的最高溫度能達(dá)到850C。圖1位于德國的EVO高壓透平轉(zhuǎn)子圖2位于日本的1/3比例的氦氣壓縮機(jī)模型2.2近期的氮?dú)馔钙皆囼?yàn)在2003年，GTHTR300壓縮機(jī)的前4級(jí)按比例縮小的模型在日本試驗(yàn)中設(shè)計(jì) 和制作出來，用來測(cè)試空氣動(dòng)力學(xué)性能和校驗(yàn)設(shè)計(jì)和評(píng)估途徑。安排了 3項(xiàng)主要 的測(cè)試：壓縮機(jī)內(nèi)空氣空力學(xué)性能測(cè)試，磁方位發(fā)展測(cè)試，燃?xì)馔钙竭\(yùn)行和控制 測(cè)試。圖3顯示的是這個(gè)模型的照片。這個(gè)1/3大小，4級(jí)的模型用來展現(xiàn)級(jí)間 的交互作用，邊界層的發(fā)展和在壓縮機(jī)原型內(nèi)觀察到的重復(fù)的級(jí)內(nèi)流動(dòng)。測(cè)試用 的壓縮機(jī)有一個(gè)3.65MW,10800rpm的電動(dòng)

11、機(jī)驅(qū)動(dòng)。工質(zhì)是壓力接近1MPa的氦 氣。它的角速度比原型的速度高3倍，用來匹配圓周速度和馬赫數(shù)。它用磁性軸 代替油軸承來支撐渦輪壓縮機(jī)和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，消除了油進(jìn)入反應(yīng)堆的可能性。主 要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。Mass flow ratc(kgs)2.2Inlet temperature (C)30n let pnssurc (M Pal0.883Prcssunc： ratiaJ5fiHub diamEter (mm)500Tip diajnecer (1a s-tage. mm f56 SHub-to-tip rmi。 M stuge 1*o.ssNumber of 制鴕4kaiacLoiul spee

12、d (rpmjW800Grcuintfercntial speed of rotor blade 口說壕32Number of rotcr/staiof blades (I1172/94RciTcovstsiTcT blndc clxird length (lai stage, mm踉收Rofor/stfitor blade height (J 亡 stage, mm)34/33.7表1 1/3比例壓縮機(jī)模型的主要設(shè)計(jì)參數(shù)磁性軸承的發(fā)展試驗(yàn)用來提高使用永磁力軸承的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)。它包括1個(gè)三分之一比例大小的渦輪壓縮機(jī)和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子模型。轉(zhuǎn)子模型設(shè)計(jì)的臨界速度 和振動(dòng)模式都和原型的相當(dāng)。測(cè)試矩陣包括測(cè)試

13、永磁力軸承的性能，不平衡響 應(yīng)和輔助軸承的可靠性。用于氣體透平系統(tǒng)運(yùn)行和控制試驗(yàn)的試驗(yàn)設(shè)備包括透平，壓縮機(jī)，功率 計(jì)，換熱器，預(yù)冷器和加熱器。透平是單級(jí)的，壓縮機(jī)有4個(gè)級(jí)，額定壓力比 試1.156。設(shè)計(jì)壓力，設(shè)計(jì)溫度，額定流速分別是1.09MPa，650C，12.2kg/s。 暫態(tài)試驗(yàn)是這樣安排的：?jiǎn)?dòng)，暫停，負(fù)載變化，失載和緊急停車。高溫氣冷堆氦氣透平對(duì)于閉式循環(huán)的燃?xì)馔钙剑獨(dú)獗灰暈楹苡星巴镜墓毷且驗(yàn)樗性S多適 合HTGR應(yīng)用的方面。氮?dú)馐菦]有腐蝕性和放射性的惰性氣體。循環(huán)效率具 有理論優(yōu)勢(shì)是由于氮?dú)飧叩谋葻崛荼?。工質(zhì)的選擇不僅影響循環(huán)效率，還有 系統(tǒng)緊湊型。另外，換熱器的設(shè)計(jì)也更有利是

14、由于氮?dú)獾膶?dǎo)熱系數(shù)和換熱系 數(shù)比空氣的要高。另一方面，由于分子量小氮?dú)庑孤逗苋菀装l(fā)生，因此系統(tǒng) 的密封可靠性很重要。綜上所述，HTGR氮?dú)馔钙讲煌谄渌每諝饣蚩扇細(xì)?體的燃?xì)馔钙健?.1高溫氣冷堆氦氣透平的總體特征氮?dú)獾牧黧w性質(zhì)強(qiáng)烈的影響著燃?xì)馔钙降捏w積，構(gòu)型和性能。高壓運(yùn)行 需要在高溫氣冷堆中達(dá)到一個(gè)緊湊的電力轉(zhuǎn)換環(huán)境。高溫氣冷堆氮?dú)馔钙接?很高的hub-to-tip是因?yàn)榻撬俣仁芟抻谕剿俣犬?dāng)透平直接和發(fā)電機(jī)相連時(shí)。 表24-6顯示了吸氣壓縮機(jī)和HTGR氮?dú)鈮嚎s機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)的比較。盡管氮 氣壓縮機(jī)在較低壓比下運(yùn)行，但是比熱容和比熱容比很高，因而需要大量的 級(jí)來達(dá)到所需的壓比。這些設(shè)計(jì)特征

15、不利于空氣動(dòng)力學(xué)性能。很低的葉片展 弦比會(huì)增加二次流動(dòng)和頁頂泄漏流，多級(jí)則會(huì)增加斷壁邊界層的增長和二次 流動(dòng)。另一方面，它能達(dá)到更高的圓周速度而不必接近聲速范圍，這是由于 氮?dú)獾穆曀佥^高。另外，沖擊損失也可能在設(shè)計(jì)過程中被忽略。表2空氣壓縮機(jī)和HTGR氮?dú)鈮嚎s機(jī)之間設(shè)計(jì)參數(shù)的比較Ubic.Mr-BiWh Ing CnipicsEorsCflmpreCFBCl 35Cl 4|NACAGTHTR3WGT-XiMRLPHPNumbffrof24K201419口 W口 prcMjrc ra.liu】.湘,261.70I.7WInDst hub-ti-hpD.3S。.帝IL&g.ft7，.如Exit h

16、ub-to-tip nitio0.570卸U30.90Mahs 加內(nèi) unn aiuiuLbi ar癌 低皺m斗2U7啪1睥47Ml3 141.lilaor tip Npccd (I.-, m/s)Uli)3-56.0SOI. .7245.S3.2 PBMR透平機(jī)械PBMR電力轉(zhuǎn)換單位的設(shè)計(jì)已 經(jīng)被修正了多次。在最初設(shè)計(jì) 中，PBMR電力轉(zhuǎn)換部分是3 軸垂直安排的，包括低壓透平 單元，高壓透平單元和一個(gè)帶 發(fā)電機(jī)的動(dòng)力透平，如圖4中 所示。每個(gè)轉(zhuǎn)子都被一個(gè)容器覆蓋。這使小型的條形永磁力軸承和他相關(guān)的捕捉器軸承成為必要，同 時(shí)還要求小的溫度和壓力的裱花，多轉(zhuǎn)子造成的轉(zhuǎn)子長度變短。垂直的 多軸的布

17、置引發(fā)許多問題，甩負(fù)荷時(shí)的超速問題，復(fù)雜流動(dòng)造成的設(shè)計(jì) 時(shí)壓力封閉和可靠性問題等。圖1最新的PBMR PCU示意圖所以，透平機(jī)械的結(jié)構(gòu)最后被修正為單軸水平的安排，角速度達(dá)到 6000rpm，通過減速齒輪室發(fā)電機(jī)角速度為3000rpm。圖5展示了最新 的PBMR PCU的示意圖。MagneticBering3.3 GTHTR300透平機(jī)械GTHTR 300的燃?xì)馔钙窖h(huán)是用來為600MW功率的反應(yīng)堆產(chǎn)出 275MWe電能的，質(zhì)量流量大概在442kg/s。一個(gè)單軸水平的構(gòu)造被采用， 如圖6所示。20級(jí)的壓縮機(jī)所需功率為251MW，壓比是2.0。透平是6 級(jí)構(gòu)造，壓比是1.87，輸出功率是530MW

18、。發(fā)電機(jī)以98.5%的效率將 279MW的輸入軸功率轉(zhuǎn)化為275MW的電能輸出。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的額定角速 度是3600rpm。低循環(huán)壓比簡(jiǎn)化了燃?xì)馔钙降臉?gòu)設(shè)計(jì)，使設(shè)計(jì)循環(huán)無需 中間冷卻器。這種結(jié)構(gòu)將探索和研發(fā)的工作降到最小，并能有效保護(hù)甩 負(fù)荷時(shí)轉(zhuǎn)子超速。它的缺點(diǎn)是需要很大的建筑區(qū)域來容納橫軸是透平和 相關(guān)的轉(zhuǎn)子空間。Po*er Converfliari Vess! Turbirie Corrpresecr(HP tida)Reactor：Mugnclic IMagnBiicBnng *Bearing圖6 GTHTR300透平的截面圖3.4 GT-MHR透平機(jī)械如圖7所示，GT-MHR透平是一個(gè)垂直

19、的單軸結(jié)構(gòu)，同步速度是 3000rpm。渦輪壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子由24級(jí)高壓壓縮機(jī)，16級(jí)低壓壓縮機(jī)和7級(jí) 透平。透平機(jī)組和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子被堅(jiān)固的連接在一起，并傳遞相互間的扭 矩。壓縮機(jī)所需功率是276MW，透平輸出功率約在561MW，發(fā)電功率 為 285MW。所有的電能轉(zhuǎn)換不見都隱藏在一個(gè)單獨(dú)的容器中使其非常緊湊和經(jīng)濟(jì)。這個(gè)垂直的單軸結(jié)構(gòu)面臨的主要問題是軸的振動(dòng)，需要性能要求更 高的條形永磁力軸承及其相關(guān)的軸承，和更大的溫度和壓力波動(dòng)范圍。圖7 GT-MHR的總體布局圖性能評(píng)價(jià)對(duì)稱的通流計(jì)算是燃?xì)馔钙椒桨冈O(shè)計(jì)和分析的必不可少的部分。在這份 報(bào)告中，燃?xì)馔钙街械牧鲌?chǎng)根據(jù)J.D.Denton提出的流線曲率通流

20、計(jì)算方法來 分析，這種方法使用于非常多種的幾何形狀。由于流經(jīng)轉(zhuǎn)子時(shí)的損失，根據(jù) 歐拉方程，總焓質(zhì)在壓縮機(jī)中增加，在透平中減少。同時(shí)需要壓縮機(jī)和透平 的經(jīng)驗(yàn)損失模型來反映在燃?xì)馔钙叫阅苡?jì)算中有重大作用的流體黏性的影響。4.1流線曲率法從J.D.Denton的描述中，流體質(zhì)點(diǎn)在向量單位q方向上的總加速度a q 可以用下式給出% =八關(guān)曲s氣+ 疝口斗血3 +氣)(1)流體表面q方向上的動(dòng)量方程是p dq dq dq Q因此，子午面上擬正交方向的梯度的方程是:1尸M T也 1 1(3) 2 dq m dq dq 2r2 dqgin cir + V cos a*川血11這個(gè)方程被稱為徑向平衡方程，是整

21、個(gè)通流計(jì)算方法的基礎(chǔ)。方程（3） 右側(cè)的前三項(xiàng)是徑向平衡項(xiàng)，后面兩項(xiàng)為流線曲率項(xiàng)。方程（3）必須和下面的積分式聯(lián)合求解：/it = J 頁since dq（4）式中b是未知項(xiàng)，將被理想化處理。4.2歐拉透平方程4.2.1軸流壓縮機(jī)圖8軸流壓縮機(jī)的典型的級(jí)圖9壓縮機(jī)級(jí)內(nèi)的速度分解圖圖8展示的是軸流壓縮機(jī)的典型的級(jí)。假設(shè)一股流線型流體以一定半徑 進(jìn)入轉(zhuǎn)子，以另一半徑和不同的速度離開，流經(jīng)轉(zhuǎn)子的過程中角動(dòng)量的變化 導(dǎo)致焓值增加。流經(jīng)轉(zhuǎn)子和定子的過程假設(shè)是絕熱的，并且由于流動(dòng)摩擦， 在轉(zhuǎn)子中滯止壓力升高，定子中滯止壓力下降。對(duì)轉(zhuǎn)子應(yīng)用穩(wěn)流能量方程， 功率輸入由下式給出：定子中沒有功輸入因此位置23中的

22、臨界溫度相同。圖9顯示了一個(gè)典型的級(jí)的速度向量和速度三角形。氣流以速度， 角度a 1接近轉(zhuǎn)子進(jìn)口，可分解為相對(duì)速度W/角度6 ，圓周速度U。氣流 在動(dòng)葉中偏轉(zhuǎn)，并以相對(duì)速度可2，角度6 2離開動(dòng)葉。綜合圓周速度，速度 V2在角度a 2上。切向速度V 1和V 2由軸面速度vm和流動(dòng)角度分解而來，這些切向速度可以通過功的傳遞導(dǎo)致焓的變化?？傡手档脑黾涌梢詮南旅娴?沿流線方向的歐拉方程得出：(6)因此，級(jí)內(nèi)功率的增加可以由下式得出:壓力增加值決定于壓縮過，圖10典型的軸流式透平的級(jí)圖11透平級(jí)內(nèi)的速度分解圖這部分輸入的能量主要用來增加流體的壓力 程的效率。級(jí)的壓比有下式給出：n K。是壓縮機(jī)的等熵效

23、率。4.2.2軸流式透平表10給出了一個(gè)典型的軸流式透平的級(jí)。同樣的，假設(shè)一股流線型流體 以一定半徑進(jìn)入轉(zhuǎn)子，以另一半徑和不同的速度離開。流經(jīng)動(dòng)葉的角動(dòng)量的 變化源于焓值的減少。經(jīng)過轉(zhuǎn)子和定子的過程是絕熱的，由于流動(dòng)阻力是定 子中的滯止壓力下降。轉(zhuǎn)子中滯止壓力上升。由于定子中沒有做功，1 2點(diǎn) 的臨界溫度相同。由轉(zhuǎn)子中的穩(wěn)流能量方程，功率輸入由下式得出：P=g（LE（9）典型級(jí)的速度矢量和相關(guān)的速度三角形在圖11中。氣流以速度*，角 度a 1接近定子進(jìn)口，以速度V2，角度a 2離開動(dòng)葉，可分解為切向速度U和 相對(duì)速度w2，角度6 2。氣流在動(dòng)葉中偏轉(zhuǎn)，并以相對(duì)速度w3角度6 3離開 動(dòng)葉，速度

24、V3在角度a 3上。切向速度v 1和七2由軸面速度vm和流動(dòng)角度 分解而來，這些切向速度可以通過焓值的變化來產(chǎn)生功?？傡手档臏p少可以從下面的沿流線方向的歐拉方程得出:(10)級(jí)輸入功率可以用下式得出:(11)這部分輸入的能量主要用來增加流體的壓力，壓力增加值決定于壓縮過 程的效率。級(jí)的滯止壓比有下式給出：ns,T是透平的等熵效率。4.3損失和性能評(píng)價(jià)效率取決于各個(gè)葉柵的阻力系數(shù)和流動(dòng)路徑，有四種主要的損失源。第 一種，由于在動(dòng)葉邊界層附近流動(dòng)和后緣尾流造成的葉型損失。環(huán)隙損失和 端壁邊界層有關(guān)，二次流動(dòng)損失則和串聯(lián)及疊合的漩渦有關(guān)。最后，頂端間 隙損失則是由于頂端間隙的漏氣。在設(shè)計(jì)高溫氣冷堆氦

25、氣透平時(shí)，沖擊損失 并不考慮是因?yàn)楹饴暡ㄋ俣群芨叨鴫嚎s機(jī)只在亞音速去運(yùn)轉(zhuǎn)。下面的分析主要用于設(shè)計(jì)點(diǎn)的損失預(yù)判。損失模型被GE和Concept-NREC 廣泛接受和推薦，可以在參考書11到16 中找到。結(jié)論和討論GTHTR300壓縮機(jī)和透平JAEA的設(shè)計(jì)被選定以完善編程結(jié)果，因?yàn)樵O(shè)計(jì) 規(guī)范的細(xì)節(jié)和結(jié)構(gòu)很有用。表3和4總結(jié)了設(shè)計(jì)參數(shù)。壓縮機(jī)有一固定的內(nèi) 徑，透平有一個(gè)固定的外徑。燃?xì)馔钙骄哂刑厥獾脑O(shè)計(jì)特征比如短葉片高度 和大量的級(jí)。表3 KAIST模擬時(shí)GTHTR300壓縮機(jī)的規(guī)格表4 KAIST模擬時(shí)GTHTR300透平的規(guī)格Mukk fl- rule (kg.s)44SJ.7Mass flo

26、w riiu 1 k釁苫441.8Jn9ec2SInlei icmjwrariint 4 Q的It舊( MPa)3.52Jtild pressure 1 MPa)nitin2Ptcmutc rutici.fi：7Hub*diiiLiic：c:r(rnni)WubdiLiKlcr儼日躋,jiiiti)fi44-l750Tipmmi)B7W1645Tip dijimeriEr 1mm |2I5M25OHub-to-iip raiic siagc. mm)O.8&O.9HL-t41ip mtia 4 l.u,6* 壬也好 mm)4J.B55心意Number ofstagH20Number of sc

27、ngcs6Rotai仍nwl Epo&j (Tptn)拘如KcHTrtionil 手瀚 trpm)3gNumber of raonslftlor bl*dcs ( ttigc)72-94dumber of E-TSKOjircKortiljidcs 4 lrf Fragcp渤DRocDTsslatorbludcchord length (L1ntm)7&-60JtatarSitltQrbladeIcnlh (Brnm7S-frORocnnsTator Made bdglr (lu ficsgc. mni)IOZ10StlurTulLjr blade Lki妨L4 IL 甘正缶,nkin)I.5

28、&IS6PohiTDjHc efisciciicy90.5PolytrnM： efficiency %)92. R進(jìn)行通流計(jì)算是為了模擬燃?xì)馔钙絻?nèi)部的流動(dòng)速度，評(píng)價(jià)壓縮機(jī)和透平 的性能基于它們?cè)敿?xì)的構(gòu)造。這里采用的損失模型在氦燃?xì)廨啓C(jī)中應(yīng)用很適 合。JAEA和KAIST設(shè)計(jì)點(diǎn)性能的比較一致顯示：壓比，溫度比，多變效率和軸功。6.結(jié)束語氦氣透平技術(shù)顯著的進(jìn)步使高溫氣冷堆中有大容量的氦燃?xì)廨啓C(jī)的設(shè)計(jì) 和安裝。高溫氣冷堆氦燃?xì)廨啓C(jī)和空氣燃?xì)馔钙较啾染哂械偷膲罕?，高運(yùn)行 壓力，短葉片高度和大量的級(jí)。單軸系統(tǒng)被視為一種可行的構(gòu)造，水平的安 排形式相比垂直的更有優(yōu)勢(shì)。GTHTR300燃?xì)廨啓C(jī)使用KAIST

29、開發(fā)的通流計(jì)算代碼進(jìn)行模擬，因此燃?xì)?透平設(shè)計(jì)點(diǎn)的性能很好的符合JAEA數(shù)據(jù)。參考文獻(xiàn)1 “Current Status and Future Development of Modular High Temperature Gas Cooled Reactor Technology,” IAEATECDOC-1198, 2001.2 “Summary Report on Technical Experiences from High-Temperature Helium Turbomachinery Testing in Germany,” IAEA-TECDOC-899, pp. 177-2

30、48, 1995.3 S. Takada, T. Takizuka, et al., “The 1/3scale Aero-dynamics Performance Test of Helium Compressor dynamics Performance Test of Helium Compressor Proceeding of ICONE11, Tokyo, Japan, April 20-23,2003.4 A.R. Howell and W.J. Calvert, “A New Stage StackingTechnique for Axial-Flow Compressor P

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