高負荷氦氣壓氣機氣動設(shè)計及性能研究.pdf

1、氦氣工質(zhì)的閉式布雷登循環(huán)熱機，在新的能源與環(huán)境形勢下，具有很大的應(yīng)用潛力。其用于高安全性的高溫氣冷堆，可顯著提高燃料熱效率并大幅簡化系統(tǒng)。氦氣輪機是高溫氣冷堆的關(guān)鍵設(shè)備，而氦氣壓氣機的氣動設(shè)計是難點之一。
　　 按照空氣工質(zhì)傳統(tǒng)設(shè)計準(zhǔn)則進行氦氣壓氣機設(shè)計，級壓比小、級數(shù)多的問題突出，有望得到本質(zhì)改觀的技術(shù)途徑是采用突破空氣常規(guī)的、符合氦氣物性條件的所謂“高負荷”氦氣壓氣機級的設(shè)計概念及方法。
　　 本文提出了一種能夠發(fā)揮

2、氦氣音速高的特點的新型基元級速度三角形來進行氦氣壓氣機設(shè)計。采用商業(yè)軟件NUMECA對294種新型大轉(zhuǎn)折角平面葉柵進行數(shù)值模擬，利用三次樣條插值函數(shù)對結(jié)果數(shù)據(jù)中的葉柵總壓損失系數(shù)和落后角與其他變量之間的函數(shù)關(guān)系進行研究。研究結(jié)果表明：高負荷氦氣葉柵在出氣角為負值時不能再用擴壓因子來關(guān)聯(lián)損失，在計算高負荷氦氣壓氣機葉柵總壓損失系數(shù)和落后角時需要使用平面葉柵數(shù)值模擬結(jié)果整理得到的函數(shù)關(guān)系式。
　　 為了進一步提高新型葉柵的性能，對總

3、壓損失系數(shù)較大的平面葉柵進行了優(yōu)化設(shè)計。利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建基于數(shù)據(jù)庫樣本空間的近似函數(shù)，采用遺傳算法來尋找新的設(shè)計，并對新的設(shè)計進行氣動性能預(yù)測。首先對中弧線進行優(yōu)化，得到優(yōu)化葉柵后再對厚度分布進行優(yōu)化，優(yōu)化后總壓損失系數(shù)共降低了14.48％。
　　 應(yīng)用氦氣葉柵總壓損失系數(shù)和落后角的計算方法進行新型基元級的性能計算，并挑選性能優(yōu)良的基元級進行了三維級氣動設(shè)計和數(shù)值模擬研究，同時也對傳統(tǒng)設(shè)計的三維級進行了對比研究。研究結(jié)果表明

4、：高負荷基元級沿徑積疊成三維級是可行的；相同條件下，高負荷設(shè)計三維級方案設(shè)計點的級壓比是常規(guī)設(shè)計的2倍多，且效率還能維持較高的水平。
　　 針對一種跳出常規(guī)空氣工質(zhì)設(shè)計規(guī)律范圍的、旨在顯著提高氦氣壓氣機的級負荷能力的設(shè)計思路，利用前期設(shè)計的該種類型高負荷氦氣平面葉柵數(shù)值試驗數(shù)據(jù)及其整理結(jié)果的關(guān)聯(lián)公式與軟件，采用了氣動設(shè)計與數(shù)值模擬耦合迭代的設(shè)計方法進行了高負荷氦氣壓氣機的多級設(shè)計。
　　 三級氦氣壓氣機的數(shù)值模擬結(jié)果顯示

5、：在指標(biāo)參數(shù)方面，三級總壓比設(shè)計點達到1.467，平均級壓比為1.136，其級壓升達到常規(guī)設(shè)計的兩倍以上(常規(guī)設(shè)計級壓比只有1.05至1.06)；三級壓氣機效率達到88.4％，與常規(guī)設(shè)計相當(dāng)。第一級三維流場與前期研究完成的單級三維流場很相似，局部背弧尾緣有小的分離旋渦，流動應(yīng)屬穩(wěn)定；第二級和第三級三維流場表現(xiàn)很好，基本沒有分離旋渦，即使在背弧極限流線圖上也看不到跡象，遠好于第一級的結(jié)果，這有利于多級設(shè)計。在運行裕度相關(guān)方面，進行了90％