高温气冷堆氦气涡轮三维气动性能分析

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三维设计在高温气冷堆核电站设计中的应用

三维设计在高温气冷堆核电站设计中的应用高温气冷堆核电站是一种新型的核电站技术，具有高效安全、低成本等优点。

在高温气冷堆核电站的设计过程中，三维设计技术起到了重要的作用。

以下是三维设计在高温气冷堆核电站设计中的应用：1. 设备布置：三维设计技术可以帮助工程师在虚拟环境中根据核电站的实际情况和要求，进行设备布置的优化设计。

通过三维模型，可以直观地观察和分析设备之间的间距、布局以及与周围环境的关系，确保设备的合理布置，减少因设备之间的干扰而导致的故障发生。

2. 安全分析：高温气冷堆核电站设计中重要的一步是安全分析。

三维设计可以帮助工程师在虚拟环境中对各个设备的安全性进行分析和评估。

通过模拟不同工况下设备的运行和变化，可以及时识别和解决潜在的安全隐患，提前预防事故的发生，确保核电站的运行安全。

3. 管道设计：在高温气冷堆核电站中，管道的设计和布置也非常重要。

三维设计可以帮助工程师在模型中进行管道布置和设计分析。

通过模拟流体的流动和压力分布，可以及时发现管道系统中的短板和不合理之处，并进行优化设计，以提高管道的效率和安全性。

4. 设备维护：高温气冷堆核电站的设备维护是一个重要的环节，需要定期检修和维护各种设备和管路。

三维设计可以帮助工程师在维护之前对设备进行虚拟拆解和组装，从而提前识别和解决可能存在的问题，减少维护过程中的安全风险和时间成本。

5. 培训和演练：三维设计技术可以帮助核电站进行设备操作培训和事故演练。

通过在虚拟环境中模拟真实的核电站操作和突发事故情况，工作人员可以进行安全和高效的培训，熟悉设备操作流程和应对突发事件的方法。

三维设计在高温气冷堆核电站设计中的应用非常广泛，涵盖了设备布置、安全分析、管道设计、设备维护以及培训和演练等方面。

通过三维设计技术，在核电站的设计和运营过程中可以提高效率、降低成本、保障安全。

高温气冷堆氦气轮机

高温气冷堆氦气轮机高温气冷堆氦气轮机引言高温气冷堆氦气轮机是一种利用气体作为工作介质的热能转换装置，广泛应用于核能、航天、石油化工等领域。

它采用堆芯产生的高温热量驱动氦气进行热力循环，通过气体膨胀驱动涡轮机转动，从而产生电能或其他能源。

本文将从原理、组成部分、工作过程和应用场景几个方面介绍高温气冷堆氦气轮机。

一、原理高温气冷堆氦气轮机的工作原理基于热力循环原理，其中核反应提供高温的热源，氦气作为工作介质通过膨胀和压缩实现能量转换。

一般而言，高温气冷堆氦气轮机由热机、涡轮机和气压设备组成。

热机部分包括燃烧室、热交换器和燃料喷嘴，用于将热能输送至气体；涡轮机由涡轮和发电机组成，通过气体膨胀驱动涡轮转动，实现能量转化；气压设备则负责氦气的压缩。

二、组成部分高温气冷堆氦气轮机主要由堆芯、燃烧室、热交换器、涡轮机和气压设备组成。

其中，堆芯是核反应堆的关键部分，产生高温能量；燃烧室用于将裂变产物和副产物排出；热交换器将堆芯的热能传递给氦气进行膨胀；涡轮机通过氦气的膨胀驱动涡轮转动，进而驱动发电机发电；气压设备则负责氦气的压缩，以维持轮机的正常工作。

三、工作过程高温气冷堆氦气轮机的工作过程可以分为热力循环和动力循环两个阶段。

热力循环是指核反应堆中高温燃料棒产生热能，并通过燃烧室和热交换器将热量传递给氦气；动力循环则是指氦气通过膨胀和压缩驱动涡轮机，最终产生电能或其他能源。

在热力循环过程中，燃烧室的燃烧产物通过热交换器与氦气进行热量交换，使氦气的温度和压力升高。

在动力循环过程中，氦气从燃烧室进入涡轮机扩散器，经过涡轮叶片膨胀产生功，然后进入压缩机进行压缩，循环再次开始。

四、应用场景高温气冷堆氦气轮机由于具有高效率、低污染和适应性强等优点，被广泛应用于核能、航天、石油化工等领域。

在核能领域，高温气冷堆氦气轮机适用于中小型快中子堆、高温气冷堆和氟化物盐堆等；在航天领域，高温气冷堆氦气轮机可用于推进剂供气、电源和热控系统等；在石油化工领域，高温气冷堆氦气轮机可用于高温炼油和气体液化等过程。

10MW高温气冷堆氦气透平循环的泄漏特性分析

10MW高温气冷堆氦气透平循环的泄漏特性分析蒋慧静;杨小勇;丁铭;王捷【摘要】为了分析高温气冷堆氦气透平循环中的气体泄漏对循环特性和循环部件的影响,通过理论推导建立了考虑泄漏情况的闭式布雷登循环的数学模型,并对不同泄漏模型进行了分析比较.分析表明,闭式布雷登循环的泄漏主要发生在高压压气机出口到透平入口处.而且,泄漏的发生改变了循环系统的质量流量和系统压力分布,使循环效率降低.以10MW高温气冷堆闭式氦气透平循环发电系统(HTR_10GT)为例,充装量调节时,实际泄漏模型下的泄漏量高于定泄漏系数模型,因此循环效率稍低于定泄漏系数模型.与不考虑泄漏时相比较,循环效率有2％左右幅度的降低;循环的总压比下降1％左右;而且压气机的压比和透平的膨胀比分别有0.5％和1％幅度的降低.【期刊名称】《高技术通讯》【年(卷),期】2015(025)004【总页数】6页(P411-416)【关键词】高温气冷堆;氦气透平循环;泄漏;循环效率【作者】蒋慧静;杨小勇;丁铭;王捷【作者单位】清华大学核能与新能源技术研究院,先进反应堆工程与安全教育部重点实验室北京100084;清华大学核能与新能源技术研究院,先进反应堆工程与安全教育部重点实验室北京100084;清华大学核能与新能源技术研究院,先进反应堆工程与安全教育部重点实验室北京100084;清华大学核能与新能源技术研究院,先进反应堆工程与安全教育部重点实验室北京100084【正文语种】中文高温气冷堆以氦气为冷却工质，石墨为慢化剂，具有固有安全性的优势，而且耐高温的全陶瓷型堆芯结构使反应堆堆芯出口温度可以高达950℃[1]。

与布雷登循环的联合使得高温氦气得到充分利用。

目前，国内外已对高温气冷堆氦气透平联合循环做了一些理论研究。

清华大学核能与新能源技术研究院(INET)研发的10MW模块式球床高温气冷堆(HTR-10)于2000年12月达到临界[2]，2003年1月满功率运行，验证了模块式球床高温气冷堆的固有安全性。

高温高压燃气轮机涡轮空气冷却技术优化研究

高温高压燃气轮机涡轮空气冷却技术优化研究一、引言高温高压燃气轮机是现代工业中常用的重要设备，广泛应用于发电、航空、石化等领域。

然而，由于工作环境的特殊性，燃气轮机在运行中会受到高温高压条件的限制，这对涡轮组件的性能和寿命产生了一定的影响。

为了解决这一问题，涡轮空气冷却技术被广泛应用。

本文将对高温高压燃气轮机涡轮空气冷却技术进行优化研究。

二、现状分析传统的高温高压燃气轮机涡轮组件通常采用全空气冷却方式。

这种方法虽然有效降低了传热温差，延长了部件寿命，但同时也存在一些问题。

首先，全空气冷却需要大量的冷却气体，导致了能量浪费和燃料消耗增加。

其次，冷却气体的推力损失会影响整个轮机系统的效率。

因此，对涡轮空气冷却技术进行优化具有重要意义。

三、优化原则在研究高温高压燃气轮机涡轮空气冷却技术的过程中，我们需要遵循以下原则：1. 最小化冷气损失：通过合理设计冷却通道结构和冷气分配方式，最小化冷气的损失，提高冷却效果。

2. 最大化能量回收：在冷却过程中，尽可能地回收冷气释放的能量，减少浪费。

3. 综合考虑性能和寿命：对涡轮组件进行冷却时，要平衡其性能和寿命之间的关系，综合考虑二者的需求。

四、优化方法1. 冷气分配优化：通过数值模拟和实验分析，优化冷气在涡轮组件中的分配方式，实现最佳冷却效果。

可采用流量控制、屏蔽材料和导热辅助等手段。

2. 涡轮内部冷却通道结构优化：通过改变涡轮内部冷却通道的形状、尺寸和排列方式，提高冷气的流动性和传热效果。

可采用蜂窝状和旋转翼的设计，增加冷气的有效接触面积。

3. 热回收优化：将冷气释放的热量通过热回收装置进行回收利用，提高整个轮机系统的能量效率和燃料利用率。

可采用余热锅炉、燃气蓄热系统等方式。

4. 材料选用优化：在涡轮组件的设计中，选择合适的材料以提高其抗高温高压性能和耐热疲劳性能。

可采用高温合金、陶瓷复合材料等新材料。

五、研究进展目前，针对高温高压燃气轮机涡轮空气冷却技术的优化研究已取得一定的进展，在实验室和工业领域都有不少应用。

高温气冷堆联合循环发电的初步分析

第22卷　第3期核科学与工程Vo1.22　No.3　2002年　9月Chinese Journal of Nuclear Science and EngineeringSep.　2002作者简介:陈夷华(1976—),男,1997年毕业于清华大学工程物理系工程物理专业,获学士学位。

在读博士生,从事高温气冷堆联合循环的研究工作;王　捷(1960—),男,副教授,1982年毕业于上海交通大学核动力工程专业,获学士学位,1985年获硕士学位。

1996年获博士学位,现从事高温气冷堆总体设计方面的研究工作。

高温气冷堆联合循环发电的初步分析陈夷华,王　捷,张作义(清华大学核能技术设计研究院,北京,100084)摘　要:对模块式高温气冷堆的氦气轮机与汽轮机联合循环方案以及氦气轮机进行初步的分析,揭示高温堆联合循环发电的一些基本设计特点。

关键词:高温气冷堆;联合循环;氦气轮机1　引　言20世纪70年代末80年代初,德国专家提出模块式高温气冷堆的概念。

90年代,随着模块堆理论的成熟和大型燃气轮机的发展,使两者的结合成为可能。

目前,结合了模块式高温气冷堆与气体轮机循环这两项分别代表着当今核能界和常规发电界先进技术的高温堆气体轮机循环是核电领域中的一项全新概念,为提高核电的安全性和经济性提供了新的思路,是一个有很强竞争优势的方案。

至今有许多国家投入相当的人力和物力并广泛开展国际合作来研究开发,比较令人瞩目的有南非的PBMR ,美俄合作的GT 2MHR 。

目前,高温堆氦气轮机直接循环都停留在论证、设计、审查阶段,至今为止还未有一个方案付诸实施[1～3]。

根据涡轮机尾气余热利用方法的不同,高温堆气体轮机循环可以有两种循环方式:回热循环及联合循环。

目前的主流是回热循环,即安装回热器对气体轮机尾气进行余热回收。

而后者是H.Barnert 和K.Kugler 于1995年从天然气联合循环发电中得到启发,提出模块式高温气冷堆气体轮机与汽轮机联合循环发电的新概念(简称高温堆联合循环),但至今还没有人进行深入的研究[4]。

高温气体涡轮的热力学性能与优化研究

高温气体涡轮的热力学性能与优化研究在现代工业和能源领域，高温气体涡轮作为一种关键的动力转换设备，发挥着至关重要的作用。

其性能的优劣直接影响着能源利用效率、设备可靠性以及整个系统的运行成本。

因此，对高温气体涡轮的热力学性能进行深入研究，并探索有效的优化方法，具有极其重要的理论意义和实际应用价值。

高温气体涡轮工作在高温、高压和高速旋转的恶劣环境下，其热力学性能受到多种因素的综合影响。

首先，气体的温度和压力是关键因素。

高温气体蕴含着巨大的热能，而高压则增加了气体的做功能力。

然而，过高的温度和压力也会给涡轮材料带来巨大的挑战，可能导致材料的强度下降、疲劳寿命缩短以及热腐蚀等问题。

涡轮叶片的设计也是影响热力学性能的重要因素。

叶片的形状、尺寸和角度等参数直接决定了气体在涡轮中的流动特性和能量转换效率。

例如，优化叶片的翼型可以减少气体的流动损失，提高涡轮的输出功率。

同时，叶片表面的粗糙度和冷却结构也会对热传递和效率产生影响。

粗糙的表面会增加流动阻力，而合理的冷却结构可以有效地降低叶片的温度，提高其使用寿命和可靠性。

此外，气体的成分和物性也不容忽视。

不同的气体成分具有不同的热力学性质，如比热、导热系数和粘性等。

这些物性参数会影响气体在涡轮中的流动和传热过程，从而对热力学性能产生作用。

为了准确评估高温气体涡轮的热力学性能，研究人员通常采用数值模拟和实验研究相结合的方法。

数值模拟可以快速、经济地预测涡轮内部的流场、温度场和压力场等，为设计和优化提供初步的指导。

然而，由于数值模型的简化和假设，其结果往往存在一定的误差。

实验研究则可以直接测量涡轮的性能参数，如功率输出、效率和温度分布等，但实验成本高、周期长，且难以获得详细的内部流动信息。

在优化高温气体涡轮的热力学性能方面，有多种策略和方法可供选择。

从材料角度来看，开发具有更高耐高温性能和强度的新型材料是一个重要的方向。

例如，使用陶瓷基复合材料或金属间化合物可以显著提高涡轮的工作温度和可靠性。

三维设计在高温气冷堆核电站设计中的应用

三维设计在高温气冷堆核电站设计中的应用
高温气冷堆核电站是一种新型的核电技术，是采用氦气冷却并以高温下运行的核反应堆。

为了确保核电站的安全运营，需要对其进行全面的设计，包括三维设计。

本文将探讨三维设计在高温气冷堆核电站设计中的应用。

首先，三维设计可以帮助工程师更好地理解高温气冷堆核电站的整体结构和构成。

通过三维建模软件，工程师可以将核反应堆的各个部件和管道等细节呈现出来，从而更好地理解整个核反应堆的结构和内部布局。

这有助于工程师更好地了解核反应堆的设计，避免设计上的误差和问题。

其次，三维设计还可以帮助工程师更好地进行设计优化。

通过三维建模软件可以进行虚拟改进，比如修改重要部件的尺寸、布局或者更改材料，以优化设计方案。

这些改进都可以进行多次尝试，直到设计方案最优化的程度。

第三，三维设计还可以帮助工程师预测核反应堆的运行情况。

在三维设计中，可以考虑不同情况下管道和部件的温度、压力等变化，这有助于工程师更好地预测核反应堆的运行情况，从而避免不必要的事故发生。

此外，三维建模还可以结合数值模拟软件，对核反应堆的运行状况进行更加详细的分析和预测。

最后，三维设计还可以提高设计的精度和可靠性。

三维模型可以准确地反映出核反应堆的实际情况，从而避免过度依赖近似模型和假设，提高设计的可靠性。

同时，三维设计可以检验设计的精度，发现设计中的问题，保证核反应堆的性能和安全。

总之，高温气冷堆核电站的设计需要完整而细致的设计，而三维设计正是其中的重要一部分。

通过三维建模软件，工程师可以更好地理解、优化和预测核反应堆的设计和运行情况，从而保证核反应堆的性能和安全。

10MW高温气冷堆90°弯头内氦气流动特性分析

第４９卷第４期
２０１５年４月
原
子
能
科
学
技
术
Ｖｏ１．４９，ＮＯ．４
Ａｐｒ．２Ｏ１５
ＡｔｏｍｉｃＥｎｅｒｇｙＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
１０ＭＷ高温气冷堆９０。弯头内氦气流动特性分析
模拟。通过对比实验数据和ＣＦＤ模拟结果发现，实验结果与数值模拟结果基本趋于一致，９Ｏ。弯头内、
外弧面的压力呈现明显的不均匀分布现象，在弯曲角度ａ一３Ｏ。～５Ｏ。之间，内、外弧面的压力差达到最大值并持续保持一段位置，ｋ－ａ，模型能用于预测１ＯＭｗ高温气冷堆蒸汽发生器内９Ｏ。弯头处氦气的流动
特性。
关键词：１０Ｍｗ高温气冷堆；９０。弯头；数值模拟；氦气
中图分类号：ＴＬ３３４文献标志码：Ａ文章编号：１０００ — ６９３１（２０１５）０４ — ０６３４－０６
ｄｏｉ：１０．７５３８／ｙｚｋ．２０１５．４９．０４．０６３４
ｕｔｉｌｉｚｅｄｔｏｒｅｓｅａｒｃｈｔｈｅｆｌｕｉｄｆｌｏｗｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｉｎａ９０。ｅｌｂｏｗｐｉｐｅ．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｄａｔａａｂｏｕｔｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｎｔｈｅｉｎｔｒａｄｏｓａｎｄｅｘｔｒａｄｏｓｏｆｔｈｅｅｌｂｏｗｗｅｒｅｕｓｅｄｆｏｒｖａｌｉｄａｔｉｎｇｔｈｅｃｒｅｄｉｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌａｐｐｒｏａｃｈａｎｄｔｈｅｎｔｈｅｈｅｌｉｕｍｆｌｏｗｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｉｎｔｈｅ９０。ｅｌｂｏｗｏｆｔｈｅｓｔｅａｍｇｅｎｅｒａｔｏｒｏｆＨＴＲ一１０ｗｅｒｅｓｉｍｕｌａｔｅｄｗｉｔｈｔｈｅｖｅｒｉｆｉｅｄＣＦＤｍｏｄｅ１．Ｂｏｔｈｍｅａｓｕｒｅｄａｎｄｐｒｅｄｉｃｔｅｄｗａｌｌｓｔａｔｉｃｐｒｅｓｓｕｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓｏｆ９０。ｅｌｂｏｗａｒｅｉｎｓａｔｉｓｆａｃｔｏｒｙａｇｒｅｅｍｅｎｔ．Ｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｏｎｔｈｅｉｎｔｒａｄｏｓａｎｄｅｘｔｒａｄｏｓｐｅｒｆｏｒｍｓａｎａｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ

火箭发动机燃气涡轮的气动性能研究

火箭发动机燃气涡轮的气动性能研究在现代航空航天事业中，火箭发动机被广泛应用于航天器的发射和操作过程中。

火箭发动机的设计和研发关乎着航天事业的发展和前进方向。

其中，燃气涡轮作为火箭发动机中的核心部件之一，在保证火箭发动机正常运行的同时，也对其气动性能提出了严格要求。

燃气涡轮是火箭发动机中的一种关键部件，它主要由气动叶片和转子组成。

燃气涡轮通过利用高温高压燃气流经过气动叶片的作用力，驱动转子高速旋转，进而带动涡轮机轴工作。

因此，燃气涡轮的气动性能直接关系到火箭发动机的工作效率和整体性能。

首先，燃气涡轮的叶片设计是影响其气动性能的关键因素之一。

燃气涡轮叶片需要具备较高的强度和刚度，以承受高温高压的工作条件。

另外，叶片的气动外形和叶片的前缘、后缘形状等也对其性能有着显著影响。

科学合理的叶片设计能够降低能量损失，提高燃气涡轮的工作效率，并减轻发动机的热负荷。

为了实现燃气涡轮的优化设计，需要借助计算机辅助工程软件和数值模拟技术等手段，对燃气涡轮叶片进行流动分析和优化设计。

其次，燃气涡轮的流场特性是对其气动性能进行研究的重要方面。

燃气涡轮内部的燃气流动情况决定了发动机的燃油消耗和输出功率等重要参数。

通过对燃气涡轮内部流场的模拟和分析，可以深入了解燃气涡轮的流动特性，为优化燃气涡轮的设计和改进提供理论依据。

同时，对燃气涡轮内部流场的模拟研究还能够预测和分析燃气涡轮中可能出现的问题，从而及时采取有效的措施进行解决。

此外，燃气涡轮的材料和制造工艺也对其气动性能有着重要影响。

燃气涡轮需要具备良好的耐高温和耐腐蚀性能，以保证其在高温高压工况下的可靠运行。

火箭发动机的燃烧产物中含有大量的高温高压气体，对燃气涡轮的材料和结构提出了严格的要求。

目前，钛合金、镍基高温合金等材料被广泛应用于燃气涡轮的制造中。

通过合理选择材料和制造工艺，可以提高燃气涡轮的性能，并降低其制造成本。

综上所述，火箭发动机的燃气涡轮在航天事业中具备着重要作用。

氦气压气机叶型气动特性研究

中图法分类号
ＴＫ４７３．８；
文献标志码
Ａ
ｇｉｏｎ，ｔｏｍａｉｎｔａｉｎｔｈｅｄｅｓｉｇｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙｔｈｅｓａｍｅｏｒｉｍｐｒｏｖｅｄａｎｄｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｗｏｒｋｉｓｓｔｉｌｌｔｏｄｅｅｐｅｎａｎｄｉｍｐｒｏｖｅ．Ｔｈｅｈｅｌｉｕｍｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒａｉｒｆｏｉｌｄｅｓｉｇｎｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅ
ｖｉｃｅ［１４］ＴｈｅＤｈｙｓｉｃａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｈｅｌｉｕｍｓｕｃｈ
．
ａｓｌａｒｇｅｉｎａｄｉａｂａｔｉｃｉｎｄｅｘａｎｄｓｐｅｃｉｆｉｃｈｅａｔａｎｄｈｉｇｈｉｎｓｕｂｓｏｎｉｃｌｉｆｇｈｔｌｅａｄｔｏａｄｉｒｅｃｔｒｅｓｕｌｔｏｆｔｈｅａｓｅｉｅｒｓｓｈｏｒｔｂｌａｄｅｇｅｏｍｅｔｒｙｃｈａｒａｃｔｅｉｓｒｔｉｃｓａｓｗｅｌｌａｓｔｈｅｌｏｗＭａｃｈｎｕｍｂｅｒｌｏｆｗｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆａｈｅｌｉｕｍｃｏｍｐｒｅｓ — ｓｏｙｗｈｉｃｈｂｒｏｕｇｈｔｄｉｆｆｉｃｕｌｔｉｅｓａｎｄｃｈａｌｌｅｎｇｅｓｔｏｔｈｅｄｅ — ｓｉｇｎｏｆｔｈｅｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ．Ｆｒｏｍｔｈｅｐｕｂｌｉｓｈｅｄｌｉｔｅｒａｔｕｒｅ，ｆｅｗｌｉｔｅｒａｔｕｒｅｉｎｖｏｌｖｉｎｇｈｅｌｉｕｍｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒｄｅｓｉｇｎｄｅ — ｔａｉｌｓ，ｔｈｅｈｅｌｉｕｍｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒｂａｓｉｃａｌｌｙｆｏｌｌｏｗｓｔｈｅｄｅ — ｓｉｇｎｏｆｔｈｅａｉｒｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒｓｙｓｔｅｍａｎｄｔａｋｅｅｘａｍｐｌｅｏｆｔｈｅｄｅｓｉｇｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓｔｈａｔｄｒａｗｓａｉｒｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ，ａｉｆｏｒｉｌ

高温气体涡轮的热力学性能研究

高温气体涡轮的热力学性能研究在现代能源领域，高温气体涡轮作为一种重要的动力转换装置，其热力学性能的研究对于提高能源利用效率、推动工业发展具有至关重要的意义。

高温气体涡轮通常工作在高温、高压和高速旋转的苛刻条件下，因此深入理解其热力学性能对于优化设计、提高可靠性和性能至关重要。

高温气体涡轮的工作原理基于热力学中的能量转换定律。

高温气体在燃烧室中被加热并膨胀，随后以高速进入涡轮叶片通道，推动叶片旋转从而输出机械功。

在这个过程中，气体的热能转化为机械能，而热力学性能的优劣直接决定了能量转换的效率和输出功率。

首先，我们来探讨一下高温对涡轮性能的影响。

高温环境会导致涡轮材料的性能发生变化，如强度降低、蠕变和疲劳等问题。

为了应对高温，通常需要采用先进的耐高温材料，如高温合金和陶瓷基复合材料。

然而，这些材料的热物理性能和力学性能与传统材料有很大的差异，这就需要对涡轮的设计和制造工艺进行重新优化。

在热力学性能研究中，气体的流动特性也是一个关键因素。

高温气体在涡轮叶片通道内的流动是复杂的三维、非定常流动，涉及到激波、边界层分离、二次流等现象。

这些流动现象会导致能量损失，降低涡轮的效率。

因此，通过数值模拟和实验研究等手段，深入了解气体的流动规律，优化叶片的形状和布局，减少流动损失，是提高涡轮热力学性能的重要途径。

涡轮的热力学循环也是影响性能的重要方面。

常见的热力学循环如布雷顿循环、回热循环等，其参数的选择和优化对于涡轮的性能有着显著的影响。

例如，提高循环的最高温度和压力可以增加输出功率，但同时也会带来更多的技术挑战和材料问题。

因此，需要在性能和技术可行性之间进行权衡和优化。

再者，热传递过程在高温气体涡轮中也不容忽视。

涡轮叶片在工作时会受到高温气体的加热，同时通过冷却系统进行散热。

良好的热传递设计可以有效地降低叶片的温度，提高其使用寿命和可靠性。

冷却技术的发展，如气膜冷却、内部对流冷却等，为提高涡轮的热力学性能提供了有力的支持。

三维设计在高温气冷堆核电站设计中的应用

三维设计在高温气冷堆核电站设计中的应用随着能源需求的增加和环境问题的日益严重，核能作为清洁、可持续的能源来源备受关注。

而高温气冷堆作为核能领域的重要发展方向之一，其设计过程需要借助先进的三维设计技术来实现高效、安全和可靠的设计。

本文将探讨三维设计在高温气冷堆核电站设计中的应用，并解析其在提高设计效率、优化设计方案、减少事故风险等方面的重要作用。

1.提高设计效率高温气冷堆核电站设计是一个复杂的系统工程，它需要考虑各种因素的影响，包括热工水力、结构力学、核物理等多个领域的知识。

传统的二维设计方法已经无法满足设计的要求，而三维设计技术则可以将各种因素综合考虑，提高设计效率。

通过三维设计软件，设计人员可以将不同领域的知识融合在一起，对核电站进行全面的仿真分析，快速定位潜在问题，并及时进行调整和优化。

2.优化设计方案在高温气冷堆核电站设计中，三维设计技术可以帮助设计人员模拟不同的设计方案，快速评估各种设计方案的优缺点，并进行比较分析。

通过三维设计软件的模拟仿真功能，设计人员可以直观地了解各种设计方案的效果，包括热工水力特性、结构强度、辐射防护等方面的影响。

这有助于设计人员在初期阶段排除不合理的设计方案，提前发现潜在问题，并在设计中加以改进，从而提高整体设计质量。

3.减少事故风险高温气冷堆核电站是一个复杂的系统工程，设计过程需要全面考虑各种可能的事故情况，并采取相应的措施进行风险分析和管理。

通过三维设计技术，设计人员可以对核电站进行全面的事故仿真分析，包括事故发生时的热力学、结构力学、辐射影响等方面的影响，以及事故后的应急处理措施。

通过对各种事故情况的仿真分析，设计人员可以更好地了解可能的事故风险，从而及时采取相应的措施，减少事故对核电站的影响。

目前，国内外已有许多高温气冷堆核电站项目采用了三维设计技术，取得了显著的成效。

中国核工业集团第四十一研究所设计的高温气冷堆核电站项目是一个典型的案例。

在该项目中，设计人员充分利用了三维设计软件，对整个核电站进行了全面的三维建模和仿真分析，包括热工水力、结构强度、辐射影响等方面的分析。

高温气冷堆的冷却剂

高温气冷堆的冷却剂高温气冷堆的冷却剂概述高温气冷堆（High Temperature Gas-Cooled Reactor，HTGR）是一种先进的核能发电技术，采用气体作为冷却剂，具有安全可靠、高热效率等优势。

冷却剂在HTGR中起到关键的作用，它既要保证核反应堆的正常运行，又要确保核设施的安全性。

本文将探讨高温气冷堆的冷却剂的特点和优势，以及如何选择和应用冷却剂。

高温气冷堆的冷却剂高温气冷堆采用气体作为冷却剂，主要有两种选择：氦气和二氧化碳（CO2）。

氦气是目前应用最广泛的冷却剂，其具有良好的热传导性能和较高的温度稳定性，适合应用于高温环境。

而CO2则具有更低的成本和更好的散热性能，也是一种可行的选择。

氦气的特点和优势氦气是一种惰性气体，对大多数材料都没有腐蚀作用。

因此，它不会污染核反应堆系统，保证了核设施的安全性。

此外，氦气具有较高的热导率，可有效地将热量传递到发电站的屏蔽层，提高热效率。

同时，氦气还有较小的摩擦系数，可以减少系统的能量损失。

氦气作为冷却剂还有一个重要优势，即其在高温下的稳定性。

高温气冷堆的工作温度可达到900°C以上，而氦气在这种高温环境下依然保持稳定的物理性质，不会发生相变或分解，确保了反应堆的正常运行。

二氧化碳的特点和优势与氦气相比，CO2是一种常温下的气体，因此，它的运输和处理成本更低。

此外，CO2在自然界中广泛存在，资源丰富，不受限制。

因此，采用CO2作为冷却剂不仅节约成本，还有助于减少对环境的影响。

与此同时，CO2还具有更好的气体冷却性能。

由于CO2的热导率较小，冷却系统的热损失也较低。

此外，CO2还具有较高的传热系数，可以更有效地吸收核反应堆中产生的热量，提高发电效率。

选择和应用冷却剂在选择冷却剂时，需要考虑以下几个因素：1. 温度稳定性：冷却剂必须能够在高温环境下保持稳定的物理性质，以确保核设施的安全性和正常运行。

2. 热传导性能：冷却剂的热导率应足够高，可以有效地将热量传递到发电站的屏蔽层或其他部位。

高温高压燃气轮机热力学性能分析与优化研究

高温高压燃气轮机热力学性能分析与优化研究燃气轮机是一种通过燃烧燃气产生高温高压气体来驱动涡轮机转动，进而产生功的热能转换装置。

在大型工业生产和能源系统中，燃气轮机被广泛应用于发电、航空、石油化工等领域。

而对于高温高压燃气轮机的热力学性能分析与优化研究，则具有重要的理论意义和应用价值。

一、燃气轮机的基本原理和工作过程燃气轮机的基本原理是通过燃气的燃烧释放出的高温高压气体来驱动涡轮机转动，从而实现能量的转换。

其工作过程一般可分为压缩、燃烧和膨胀三个阶段。

首先，在压缩阶段，轴流式压气机将大量空气通过叶片进行压缩，提高气体压力和温度。

接着，在燃烧阶段，压缩后的空气与燃料混合并通过燃烧室进行燃烧，释放出大量的热能，进一步提高气体的温度和压力。

最后，在膨胀阶段，高温高压气体驱动叶轮旋转，产生功用于驱动发电机或其他负载。

二、高温高压燃气轮机的热力学性能分析在热力学性能分析中，常用的参数包括效率、热耗率、循环比等。

1. 效率是评价燃气轮机性能的重要指标之一。

其定义为输出功与输入燃料热值之比。

提高效率可以有效提高能源的利用率。

2. 热耗率是指单位功输出所需的燃料热值，也是衡量燃气轮机性能的重要指标之一。

低热耗率意味着能够更有效地利用燃料。

3. 循环比是指压缩机出口压力与涡轮出口压力之比。

通过调节循环比可以改变燃气轮机的工作性能。

此外，还可以对燃气轮机的燃料灵敏度、测量精度等进行热力学性能分析，从而更好地了解燃气轮机的工作状态和性能。

三、高温高压燃气轮机的热力学性能优化研究为了进一步提高燃气轮机的工作性能，研究者们不断探索优化方法，以提高燃气轮机的效率和性能。

1. 热力学循环优化：通过改变燃气轮机的循环参数和组件结构，如压缩机的气流特性、燃烧室的燃烧效率以及涡轮机的叶片形状等，来进一步提高燃气轮机的效率和性能。

2. 材料与润滑优化：通过研发新材料，提高叶片和燃烧室等关键部件的耐高温性能，从而提高燃气轮机的运行可靠性和寿命。

高温气冷堆氦气轮机基本特性研究

γ = ξπ
ξ=
p5 p6
p6 p1
p2 p3
p3 p4
(6)
ξ为整个循环过程中各传热过程 (除间冷过程
外) 压力损失率之积。
循环效率 η 定义为循环输出功与循环吸
入热量之比
η = w4- 5 -Fra bibliotekw1- 2a q3 - 4
w 2b- 2
(7)
这里首先运用式 (1) ～式 (7) 对布雷登循环
进行分析 ,然后再以现有的工业基础和技术条
连续方程 m = ρcm A = const
(8)
能量方程
i01 = i02 + Eu
(9)
欧拉方程(动量方程) Eu = ( cu1 - cu2) u (10)
式中 : m 为气体质量流量 ;ρ为气体密度 ; c 为
气体流速 ; A 为流道截面 ; i0 为滞止焓 ; Eu 为
级功率 ; u 为叶轮周向速度 ; cm为与流道截面
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技术研究院设计建造的 10 MW 高温气冷实验堆 ,已于 2003 年初满功率并网发电 ,这标志着我国在这一领域已经走在了世界的前列。在高温堆发电的诸多方案中 ,氦气轮机直接循环发电方案被认为是高温堆领域的发展方向 [2 ] 。许多国家投入相当的人力物力进行研究开发 , 但是由于技术、经济和政治等诸多方面的原因 , 至今仍停留在研究设计阶段 ,还没有一个项目破土动工。
与目前高温堆采用的蒸汽轮机发电系统相比较 ,氦气轮机循环发电系统结构紧凑 ,都安装在一回路压力边界内 ;发电效率非常高 ,按现有技术水平预测 ,商用高温堆氦气轮机循环发电效率可望达到 45 %～50 %[4 ] 。

三维设计在高温气冷堆核电站设计中的应用

三维设计在高温气冷堆核电站设计中的应用高温气冷堆核电站是一种新型的核能发电技术，具有较高的发电效率和更强的安全性能。

在设计这种核电站的过程中，三维设计技术发挥了重要作用。

在高温气冷堆核电站的设计中，三维设计可以帮助工程师们更好地理解和把握设计要求和规范。

通过使用三维设计软件，工程师们可以将设计要求、技术规范和设计图纸等信息整合在一起，形成一个立体且真实的设计模型。

这样一来，工程师们可以更加直观地了解设计的细节和结构，进一步提高设计的准确性和完整性。

三维设计还可以帮助工程师们模拟和分析不同设计方案的性能，以便选择最优的设计方案。

在高温气冷堆核电站的设计中，三维设计可以提高设计的效率和质量。

传统的二维设计方法存在着信息传递不准确、设计冲突难以发现等问题，而三维设计则可以有效地解决这些问题。

在三维设计中，设计人员可以将不同部位的设计进行无缝的连接和协同，从而避免了很多设计冲突。

三维设计还可以帮助设计人员更加直观地进行设计评审和修改，提高设计的质量和准确性。

在设计完成后，三维设计还可以生成高质量的设计文档和图纸，提供给后续工序使用，进一步提高设计的效率。

在高温气冷堆核电站的施工和维护过程中，三维设计可以提供有力的支持。

通过使用三维设计软件，施工人员可以在施工前进行虚拟的施工仿真，提前发现和解决施工问题，避免了施工中的误操作和事故发生。

三维设计还可以用于维护过程中的设备监测和故障分析。

通过对三维设计模型的分析，维护人员可以更加准确地了解设备的运行状态和故障原因，能够及时采取相应的维修措施，提高设备的可靠性和可用性。

三维设计在高温气冷堆核电站设计中的应用十分广泛。

它不仅可以帮助工程师更好地理解和把握设计要求，提高设计的质量和准确性，还可以提供施工和维护的支持，进一步提高核电站的安全性和可靠性。

三维设计在高温气冷堆核电站设计中具有非常重要的作用。

三维设计在高温气冷堆核电站设计中的应用

三维设计在高温气冷堆核电站设计中的应用随着人们对清洁能源需求的增加和环保意识的提高，核电站成为了不可或缺的能源供应来源，而三维设计的出现更是让核电站设计变得更加便捷和高效。

在高温气冷堆核电站的设计中，三维设计的应用发挥着重要的作用。

高温气冷堆核电站是一种新型的核电站，与传统的水冷堆和沸水堆不同，它是采用气体冷却来控制堆芯温度的。

由于高温核燃料的使用，以及气体冷却的方式，需要在设计中考虑更多的因素和技术要求。

这时候，三维设计技术就可以应用上了。

首先，在高温气冷堆核电站的设计之初，三维设计就可以发挥着重要作用。

通过三维模型，设计人员可以对堆芯系统、辅助系统、炉心组件、系统管道等进行立体建模，可以准确地显示每个部件的尺寸、位置、朝向等信息。

通过三维建模，设计人员可以更加直观地了解每个部件的位置和结构，减少因为尺寸和位置的错误而导致的重大事故和损失。

其次，在高温气冷堆核电站建设中，三维设计可以快速解决设计中的问题。

在传统的设计方式下，每种零部件的尺寸、重量、材料等信息都只能通过手工的方式进行一一记录和处理，然后再进行装配，耗费时间和精力巨大。

而三维设计可以快速的识别到在设计过程中存在的问题，可以通过模拟的方式进行分析和解决。

在三维设计中，设计人员可以立即了解到新零部件的安装位置、变化、相邻系统中其它部件的安装情况等，快速定位系统中存在的问题。

这不仅可以节约时间成本，还可以大大提高零部件的质量和装配的准确性。

再次，在高温气冷堆核电站运营过程中，三维设计可以迅速查找系统中的异常现象。

通过三维模型，设计人员可以通过虚拟地图迅速找到任何一个系统的任何一个零部件，同时，三维设计还可以为运营过程中的问题提供详细的数据和图示，运营人员可以通过实时监控，快速处理问题，并且可以从工程层面提高运营效率。

最后，在安全事故事件发生后的应急措施中，三维设计也可以发挥着巨大的作用。

三维设计可以提供详细的系统信息和数据，可以为救援工作提供准确的指导。

燃气涡轮机气动性能研究

燃气涡轮机气动性能研究在现代工业中，燃气涡轮机被广泛应用于航空、电力和石油等领域。

它具有高效率、快速启动和较低的排放等优点，因此备受青睐。

然而，燃气涡轮机的设计与性能优化是一个复杂而关键的领域，涉及到多种因素。

本文将讨论燃气涡轮机的气动性能研究，探索如何优化其性能。

首先，了解燃气涡轮机的气动原理对于研究其性能至关重要。

燃气涡轮机的气动原理是通过动力、工作流体和热力学循环实现的。

在燃气涡轮机中，动力是由燃烧室内的燃烧产生的高温高压气体推动涡轮叶片旋转，从而产生机械能。

工作流体一般是空气，通过旋转的涡轮叶片使空气的能量转换为机械能。

热力学循环则是燃气涡轮机的工作过程，包括压缩、燃烧和膨胀等阶段。

在进行燃气涡轮机气动性能研究时，我们需要关注的一个关键参数是效率。

燃气涡轮机的效率是指其输出的机械能与输入的燃料能量之间的比值。

提高燃气涡轮机的效率对于节约能源和减少环境污染具有重要意义。

为了提高效率，燃气涡轮机的设计需要考虑不同部件的气动性能。

燃气涡轮机的气动性能研究涉及到如何优化涡轮叶片和周围流场的相互作用。

涡轮叶片的设计对于气动性能具有重要影响。

通过改进叶片的气动外形和控制叶片表面间隙，可以改善气体的流动特性，减少能量损耗和流动失真。

另外，通过合理的涡轮尺寸和叶片数目的选择，也可以提高涡轮的效率和稳定性。

除了涡轮叶片设计，周围流场的优化也是研究燃气涡轮机气动性能的重要方面。

周围流场的优化可以通过合理布置导流板和尾喘管等来实现。

导流板可以调整气流方向和速度，使其与叶片的角度和速度适应，从而减少能量损耗。

尾喘管可以控制尾流和涡流的扩散，降低运动损失，提高涡轮的效率。

此外，燃气涡轮机的部件材料和制造工艺对气动性能的影响也需要研究。

部件材料的选择需要考虑高温和高压等工况条件下的应力和热膨胀等影响，以保证部件的结构强度和耐久性。

同时，制造工艺的优化可以减少部件表面的粗糙度和不均匀性，提高气体流动的平滑度和一致性，从而改善气动性能。

新型高负荷氦气压气机的三维级性能研究

新型高负荷氦气压气机的三维级性能研究龙艳丽;徐立民;于景磊【摘要】按照传统空气设计规律设计的氦气压气机存在级数较多的问题.为了提高氦气压气机的级压比以减少级数,采用适合于氦气压气机的新型基元级速度三角形理论进行高负荷氦气压气机的三维级气动设计,应用CFD软件对其三维级流场进行数值模拟,同时进行了与常规设计准则的对比研究.研究结果表明,高负荷基元级沿径积叠成三维级是可行的；相同条件下,高负荷设计三维级方案设计点的级压比达到1.138 8,级压比是常规设计的2倍多,且效率还能维持高达89.86％的较高水平.%According to the design rules of conventional air compressors, the number of stages necessary for the helium compressor is excessive. In order to increase the pressure ratio and thereby decrease the number of stages, an aerodynamic design for the three-dimensional stage of a high-loaded helium compressor was investigated by adopting the theory of new elementary stage velocity triangle. The three-dimensional stage flow field was numerically simulated with the computational fluid dynamics (CFD) software and a comparison study on its conventional design criteria was also presented. The results show that the high-loaded elementary stage radial stacking to three-dimensional stage is feasible. Under the same condition, the stage pressure ratio of a design point of the high-loaded three-dimensional stage design is 1.1388, which is more than twice that of the conventional design while still maintaining high efficiency (up to89.86% ).【期刊名称】《哈尔滨工程大学学报》【年(卷),期】2012(033)004【总页数】6页(P464-469)【关键词】高负荷氦气压气机;新型基元级;三维级;气动设计;数值模拟【作者】龙艳丽;徐立民;于景磊【作者单位】哈尔滨工程大学动力与能源工程学院,黑龙江哈尔滨150001;中船重工第703研究所,黑龙江哈尔滨150036;中船重工第703研究所,黑龙江哈尔滨150036【正文语种】中文【中图分类】TK474.8能源的日益枯竭和新型能源的发展，使燃气轮机发电行业进入了一个崭新的阶段.高温气冷堆与闭式循环燃气轮机的结合[1]，使得氦气轮机发电技术日益成为人们关注的焦点.理论研究表明，高温气冷堆采用布雷登循环，用高温氦气直接驱动透平的发电效率超出汽轮机发电效率近10%.此外，高温气冷堆氦气轮机用于船舶动力也有很大优势，包括潜艇和运输商船.可见，高性能的氦气轮机在燃机行业中有更好的前景[2].然而我国在氦气轮机的研究方面进行的比较少，而出于商业目的，国际上对该研究的相关数据高度保密.相对于空气，氦气是一种很难压缩的气体.如果按常规的空气压气机叶型设计方法来选择各项参数，又要满足高效率的要求，单级压比将会很低，据此设计的满足整机压比的氦气压气机，级数和轴向尺寸将会大幅增加.如果保持流量系数不变，提高单级压比，减少氦气压气机级数，就需要提高反动度，增大稠度，但这将会使效率降低.为了提高压气机的级压比，可以选择的方法是采用大转折角叶栅.在空气压气机设计中采用大折转角叶栅的研究国外已经开展多年[3-8]，但是应用在氦气压气机的设计方面还很少.本文应用适用于氦气压气机的大转折角平面叶栅和基元级性能的研究结果，进行高负荷三维级和常规设计三维级造型，并对三维级流场进行数值模拟，探索新型设计方法用于高负荷三维级的可能性.1 新型基元级速度三角形能够显著增加氦气压气机级加功量(即欧拉功h=U×ΔC u)的办法是采用如图1所示的大转折角速度三角形(空气轴流压气机级的典型速度三角形如图2所示)，这种速度三角形的思路更早地见著于文献[9]，它利用氦气音速高的特点，成倍增加了气流速度，达到了中等亚音速，结果使扭速ΔCu成倍增加，达到了在轮周速度U不变的前提下成倍增加欧拉功的目的.尽管新型速度三角形的动叶和静叶气流转折角很大，从常规经验看起来可能面临扩压负荷难以承受的困难，但是按照传统方法计算的叶型扩压因子数值并不大，这就为实现这种新型速度三角形和叶型提供了可能. 图1 适用于氦气的大转折角速度三角形Fig.1 New velocity triangle for the helium compressor图2 空气轴流压气机级的典型速度三角形Fig.2 Typical velocity triangle for the axial air compressor2 三维级气动设计2.1 高负荷三维级气动设计为了提高氦气压气机的级压比以减少级数，文献[10]对一种可显著增加氦气压气机级加功量的大转折角新型叶栅的流场进行了数值模拟研究.本文利用平面叶栅数值试验整理出的叶型损失系数和落后角关联曲线，针对高负荷基元级性能研究结果的较佳方案，兼顾叶片顶、中、根径向三截面的均衡匹配，利用等环量和等功沿径设计规律，进行了高负荷三维级的气动设计，参数见表1.其中，Ma1为动叶相对进气马赫数，Ma2为静叶进气马赫数，β1p为动叶进口几何角，β2p为动叶出口几何角，α2p为静叶进口几何角，α3p为静叶出口几何角.表1 高负荷三维级参数表Table 1 Parameters of the high-loaded three-dimensional stage参数叶根叶片中径叶顶轮周速度U/(m·s-1)266.67 300 333.33能量头系数 hc 1.266 1 0.81反动度Ω 0.367 0.5 0.595流量系数φ 1.284 1.141 1.027 Ma1 0.443 0.465 0.488 Ma2 0.484 0.452 0.428动叶弦长 br/mm 100.47 100.47 100.47静叶弦长 bs/mm 99.341 99.341 99.341动叶弦长雷诺数Rer 1.659 1.475 1.328 3.87 ×1053.68 ×1053.54 ×105动叶冲角ird/(°) 0 0 0静叶冲角isd/(°) 0 0 0 β1p/(°) 37.921 41.233 44.241 β2p/(°) -20.589 -9.615 1.050 α2p/(°) 44.82 41.859 39.157 α3p/(°) -9.873 -9.478 -9.563动叶稠度σr 1.659 1.475 1.328静叶稠度σs 3.44 ×1053.61 ×1053.79 ×105静叶弦长雷诺数Res2.2 常规设计三维级气动设计平面叶栅数值试验范围涵盖了常规设计的取值范围(如马赫数、进气角、出气角等参数)，因此常规设计的三维级气动设计也使用平面叶栅数值试验整理出的叶型损失系数和落后角关联曲线，采用等环量和等功沿径设计规律，其参数见表2.表2 常规设计三维级参数表Table2 Parameters of three-dimensional stage under normal design参数叶根叶片中径叶顶U/(m·s-1)1.659 1.475 1.327 5 266.67 300 333.33 hc 0.530 0.419 0.339 Ω 0.367 0.5 0.595 φ 0.675 0.600 0.540 Ma1 0.248 7 0.281 0.314 Ma2 0.302 0.280 0.263 br/mm 100.47 100.47 100.47 bs/mm 99.341 99.341 99.341 Rer 3.44 ×1053.89 ×1054.36 ×105 Res 4.19 ×1053.92 ×1053.70 ×105 ird/(°) 0 0 0 isd/(°) 0 0 0 β1p/(°) 43.14 49.79 54.78 β2p/(°) -0.155 17.675 31.484 α2p/(°) 52.825 49.66646.760 α3p/(°) 20.540 18.304 16.195 σr 1.659 1.475 1.327 5 σs2.3 高负荷三维级气动设计的比较结论从表1和表2可以看出，同样的U=300 m/s和Ω=0.5条件下，高负荷设计的三维级负荷超出常规设计的2倍还要多;常规设计的Ma较小，φ较小;几何参数上的差别:高负荷设计的三维级动叶叶根处叶型几何转折角达到了58.5°，而常规设计的几何转折角为43.3°.3 三维级气动性能数值模拟3.1 数值模拟计算方法数值求解计算采用NUMECA FINETM/TURBO的EURANUS求解器，差分格式选为二阶精度的中心差分格式.计算域包括动叶、静叶、进口延伸段、出口延伸段.进口距动叶前缘约1倍叶片弦长，出口距静叶后缘约2倍叶片弦长.2种方案均采用AutoGrid模块自动生成计算域的网格，动叶和静叶网格均采用Skinmesh型结构化网格，考虑动叶的叶顶间隙，间隙高度1 mm，间隙内采用蝶形结构化网格.在网格生成过程中，考虑粘性流场计算中低雷诺数湍流模型的应用，捕捉近壁面湍流附面层流动的详细流动特征，加密靠近壁面的网格，近壁面第一层网格距离固壁距离取0.01 mm，将y+值控制在一定的低雷诺数湍流模型要求的范围之内.3.2 三维级气动性能数值模拟结果分析3.2.1 高负荷三维级数值模拟结果本文除计算高负荷三维级设计流量下的流场性能外，还对高负荷三维级在90%和110%设计流量下流场进行了数值计算，计算结果见表3.表3 高负荷三维级性能计算结果Table 3 Performance result of high-loaded three-dimensional stages绝热效功率/kW 66.431(设计流量)质量流量/(kg·s-1)率/% 总压比轴向推力/N扭矩/N·m 89.86 1.138 8 -8 587 18 770-5 90059.79(90%设计流量)90.05 1.137 -8 707 16 630-5 811 73.07(110%设计流量)88.99 1.139 -8 385 20 820-5 952图3和4分别给出了高负荷三维级动叶和静叶叶片流道不同高度切面速度矢量图，图5～7给出了高负荷三维级在各个工况下叶片吸力面的极限流线.图3 高负荷三维级设计点动叶3种叶高速度矢量Fig.3 Velocity vector under design point in three kinds of rotor height of the high-loaded three-dimensional stage图4 高负荷三维级设计点静叶3种叶高速度矢量Fig.4 Velocity vector under design point in three kinds of stator height of the high-loaded three-dimensional stage从图3～7中可以看出，高负荷三维级设计流量情况下，动叶的高速转动以及轮毂的影响，动叶10%叶高尾缘叶背处出现较大的分离涡，在50%叶高及以上部分，流动状态比较良好，动叶尾缘叶背处分离较小.在动叶根部和静叶顶部的壁面附近有从压力面到吸力面的横向流动和尾涡，这主要是因为附面层内速度小，层内气流所产生的离心惯性力不足于平衡压力面到吸力面的横向作用力，产生了二次流.而在两列叶片中间沿轴向方向截面(即S2流面)顶端有分离流，这主要是因为动叶转动是刮过附面层而产生的刮擦涡.上面这些涡流和分离流都会造成能量损失，使压气机的效率和压头下降.流量降低到设计流量的90%时，效率提高了0.2%，这是因为流量的减小使得攻角偏向了最佳攻角，叶型损失降低，因此效率有所提高.而在110%设计流量的情况下，虽然动叶叶背分离流动获得较大改善，但由于堵塞效应影响较大，效率并未见有明显改善.图8～9分别给出了高负荷三维级设计工况时各个径向截面轴向、径向速度沿径向分布.从图中可以看出，静叶出口气流轴向速度分布不均，叶根部分气流轴向分速偏小，但偏差不是很大，而此时的气流具有一定径向速度，这是由于附面层不断增厚，使得气流向中间流到挤压，从而使径向分速增加.图5 高负荷三维级设计工况叶片吸力面极限流线Fig.5 Limited streamline of suction-face on blade under design condition of the high-loaded three-dimensional stage图6 高负荷三维级90%流量工况叶片吸力面极限流线Fig.6 Limited streamline of suction-face on blade under 90%flux condition of the high-loaded three-dimensional stage图7 高负荷三维级110%流量工况叶片吸力面极限流线Fig.7 Limited streamline of suction-face on blade under 110%flux condition of the high-loaded three-dimensional stage图8 高负荷三维级设计点轴向速度沿径向分布Fig.8 Radial distribution of axial velocity under design condition of the high-loaded three-dimensional stage图9 高负荷三维级设计点径向速度沿径分布Fig.9 Radial distribution of axial velocity under design condition of the high-loaded three-dimensional stage图10给出了高负荷三维级设计工况下各个径向截面处总压沿径向分布，从图中可以看出，总压在各个截面处变化不大，在动叶出口处总压达到最大.图10 高负荷三维级设计点总压沿径向分布Fig.10 Radial distribution of total pressure under design condition of the high-loaded three-dimensional stage3.2.2 常规设计三维级数值模拟结果计算了常规设计三维级设计流量下的流场性能，计算结果见表4.表4 常规设计三维级性能计算结果Table 4 Performance result of the normal design three-dimensional stages参数绝热效率/%总压比功率/kW扭矩/N·m轴向推力/N质量流量/kg·s -1 NUMECA计算值87.78 1.067-2 738.2 8 707.7-7 030.7 61.413图11给出了常规设计三维级叶片叶背极限流线，从图中可以看出，常规设计情况下，各个截面处流场状况良好，各叶片叶背基本未出现分离流动.图11 常规设计三维级叶片吸力面极限流线Fig.11 Limited streamline of suction-face on blade under design condition of the normal design three-dimensional stage图12～13分别给出了常规设计三维级设计工况下各个径向截面处轴向和径向速度沿径分布，径向窜流在一个很小的速度值范围内变动，各半径位置处的径向速度在动叶出口处达到最大值，但相对轴向速度要小很多，对压气机的效率影响较小.图12 常规设计三维级设计点轴向速度延径分布Fig.12 Radial distribution of axial velocity under design condition of three-dimensional stage for normal design图14给出了常规设计三维级设计工况下各个径向截面总压沿径分布.容易看出，总压在动叶出口位置达到最大，在叶片中径截面处，气流流过叶栅后，总压损失最小.叶根和叶顶位置由于存在固壁以及间隙的影响，各位置处的总压变化较大.图13 常规设计三维级设计点径向速度分布Fig.13 Radial distribution of radial velocity under design condition of three-dimensional stage for normal design图14 常规设计三维级设计点总压沿径向分布Fig.14 Radial distribution of total pressure under design condition of three-dimensional stage for normal design3.2.3 高负荷三维级数值模拟结果对比分析通过以上分析，可以得出:高负荷三维级的级压比是常规设计的2倍多，负荷获得较大提升，尽管高负荷三维级的流场在动叶10%叶高叶型尾缘处有较大的分离，但是效率还能维持较高的水平(高达89.86%);常规设计三维级流场状况良好，除了叶根和叶顶附近由于附面层使气流发生径向窜流外，各个叶片截面未出现分离;高负荷三维级轴向、径向速度、总压与常规设计变化规律基本一致.4 结论计算了高负荷和常规设计的三维级性能，并分析相关参数的变化规律，现总结如下: 1)高负荷基元级沿径积叠成三维级是可行的，可以适应反动度、马赫数等流动条件沿径向的变化，各项参数是合理的.相同条件下，高负荷设计的三维级负荷是常规设计的2倍多;常规设计的马赫数、流量系数、叶型几何转折角与高负荷设计相比较小.2)高负荷设计三维级方案设计点的级压比达到1.138 8，级压比是常规设计的2倍多.此外，高负荷三维级在10%叶高处动叶吸力面尾缘有较大的分离，而常规设计三维级流场状况良好.3)采用大转折角弯曲叶型能有效减少氦气压气机叶片数、尺寸和重量.采用高负荷弯曲叶栅将是研发高负荷氦气压气机可采取的措施之一.为了进一步验证大转折角叶片设计适用于高负荷氦气压气机，本课题将继续进行实验研究.参考文献:【相关文献】[1]吴宗鑫，张作义.先进核能系统和高温气冷堆[M].北京:清华大学出版社，2004:196-209.[2]陈夷华，王捷，张作义.高温气冷堆联合循环技术潜力研究[J].核动力工程，2001，22(5):475-480.CHEN Yihua，WANG Jie，ZHANG Zuoyi.Study on potentiality of high temperaturegas-cooled reactor-combined cycle system[J].Nuclear Power Engineering，2001，22(5):475-480.[3]BRYCE J D，CHERRETT M A，LYES P A.Three-dimensional flow in a highly loadedsingle-stage transonic fan[J].ASME Journal of Turbomachinery，1995，117(1):22-28.[4]EMMERSON P R.Three-dimensional flow calculations of the stator in a highly loaded transonic fan[J].ASME Journal of Turbomachinery，1998，120(1):141-147.[5]CALVERT W J，EMMERSON P R，MOORE J M.Design，test and analysis of a high-pressure-ratio transonic fan[C]//ASME Conference Proceedings.Atlanta，USA，2003:417-427.[6]MATTHIAS B，LEONHARD F.Effects of riblets on the loss behavior of a highly loaded compressor cascade[C]//ASME Conference Proceedings.Amsterdam，The Netherlands，2002:743-750.[7]DOUGLAS J W，LI S M，SONG B，et al.Effects of free stream turbulence on the lossesof a highly loaded compressor stator blade[C]//ASME Conference Proceedings.Atlanta，USA，2003:521-530.[8]LOTHAR H，MICHAEL P.Unsteady boundary layer development due to wake passing effects on a highly loaded linear compressor cascade[J].ASME Journal of Turbomachinery，2004，126(4):493-500.[9]米哈依洛夫.封闭循环气体涡轮装置[M].曹孝瑾，马同泽，译.北京:科学出版社，1964:39-57.[10]LONG Yanli，XU Limin，XIE Chunling，et al.Simulation for a new cascade of helium compressor with enhanced pressure ratio[C]//ASME Conference Proceedings.Berlin，Germany，2008:405-414.。

三维设计在高温气冷堆核电站设计中的应用

三维设计在高温气冷堆核电站设计中的应用随着能源需求的不断增长和环境保护意识的提高，核能作为清洁、高效的能源形式受到越来越多的关注。

在核能领域，高温气冷堆核电站是一种非常具有潜力的技术，它采用气体作为冷却剂，能够提供高温热能，用于发电和工业生产。

在高温气冷堆核电站的设计中，三维设计技术发挥着重要作用，它能够提高设计效率、降低成本，并且能够更好地实现设计需求。

本文将重点介绍三维设计在高温气冷堆核电站设计中的应用，并探讨其未来发展方向。

一、高温气冷堆核电站概述高温气冷堆核电站是一种采用气体作为冷却剂的核电技术，相较于传统的水冷堆核电站具有许多优势。

高温气冷堆核电站能够提供更高温的热能，可以用于工业生产、化工制造等领域，进一步提高能源的利用效率。

高温气冷堆核电站的安全性更高，由于气体冷却剂具有较高的比热容和低的压力，使得堆芯的冷却更加稳定可靠。

高温气冷堆核电站对环境的影响更小，减少了对水资源的需求，并且在应对气候变化和碳排放方面具有重要意义。

1. 设计效率提升在高温气冷堆核电站的设计中，三维设计技术能够提高设计效率。

传统的二维设计方法需要通过手绘或计算机绘图软件进行平面设计，然后再对其进行各个方向的分析和调整。

而三维设计技术则可以直接在三维空间中对设计进行建模和仿真，能够更加直观地呈现设计效果，提高设计师的工作效率。

三维设计技术还能够在设计过程中对各个部件和结构进行数字化建模，实现设计过程的信息化和数字化，大大提高了设计的精度和准确性。

2. 设计优化3. 成本降低三维设计技术还能够降低设计成本。

传统的设计方法需要消耗大量的纸张和墨水，以及大量的人力资源进行复印和存档。

而采用三维设计技术，设计师可以直接在计算机上进行设计和展示，避免了大量的纸张和墨水的浪费。

三维设计技术还能够更加方便地进行设计文件的管理和传输，避免了因纸质文件的繁琐而引发的信息泄漏和错误。

这些都能够降低设计的管理成本和存档成本，提高了设计效率。

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高温气冷堆氦气涡轮三维气动性能分析
李东，马云翔，梁晨牛夕莹，
（．哈尔滨工程大学核科学与技术学院，１黑龙江哈尔滨１００；．国船舶重工集团公司第７３研究所，５０１２中０黑龙江哈尔滨
１０７）５０８
Ｌｎ，ＭＡｎｉｎ，ＬＡＮＧｅ，ＮＩＸｉｉｇＩＤｏｇＹｕｘａｇＩＣｈｎＵｙｎ
（ｏｌｅｏｕｌｒＳｉｃｎｅｈｏｇ，ＨｒｉｎｉｅｒｇＵｉｒｔ，Ｈｒｉ１００，ｈｎ；．Ｔｅ０ｅｅｒｈＩｓｔｔ１ＣｌｇｆｃｅｃｎｅａｄＴｃｎｌｙａｂｎＥｇｅｎｎｖｓｙａｂｎ５０１Ｃｉａ２ｈ３ＲｓａｃｎｔｕｅｅＮａｅｏｎｉｅｉ７ｉ
第３２卷第５期
２１０１年５月
哈
尔
滨
工
程
大
学
学
报
Ｖ０．２Ｎ．１３ｏ５
Ｍａｖ２０１１
ＪｕｎｌｏｒｉｇｎｅｉｇＵｉｅｓｙｏｒａｆＨａｂｎＥｎｉｅｒｎｎｖｒｉｔ
ｄｉ１．９９ｊｉｎ１０７４．０１０．２ｏ：０３６／．ｓ．０６— ０３２１．５０５ｓ
良的变工况气动性能．此外，计算结果还暴露了原设计中尚存在一些不足，为进一步优化该涡轮的叶型指出了方向，经改进后涡轮性能可能达到更高水平．关键词：高温气冷堆；氦气涡轮；三维黏性流场；后部加载叶型；ＦＣＤ模拟
中图分类号：Ｋ７．文献标识码：文章编号：０６７４（０１０－６３０Ｔ４４７Ａ１０－０３２１）３０８－７
Ｔｈｅ — ｍｅｓｏａｅｏｙａｉｅｆｒａｃｎｌｓｓｏｅｉｍｒｅｄｉｎｉｎｌａｒｄｎｍｃｐｒｏｍｎｅａａｙｉｎａｈｌｕｔｂｎｆａｈｇｅｐｒｔｒａ－ｏｌｄｒａｔｒｕｒｉｅｏｉｈｔｍｅａｕｅｇｓｃｏｅｅｃｏ
ｐｒｒａｃ，ｈｅ—ｉｅｓｎｌ（－ｅｆｍｎｅｔｒｅｄｍｎｉａ３Ｄ）ｖｃｕｕｔｔｅＣＤａａｙｉｗｓｃｎｕｔｎａｈｌｍｔｒｉｆａｏｏｉｏｓｍｌｓｇＦｎｌｓａｏｄｃｅｏｅｕｕｂｎｏｓｉａｓｄｉｅｇｍｅａｒｇｓｃｏｅａｔＨＧ－Ｔ，ｍｌｙｇａｍｌ－ｒｎｉｉｇｔｅｌｎｅｏｅｅｎｔｅｉｈｔｐｒｔｅａ—ｏｌｄｒｃｒ（ＴＲＨ）ｅｐｏｉｕｔｇｉａｄｍｘｎａｅｍｔｄｂｔｅｅｕｅｏｎｉｄｈｐｈｗｈ
摘
要：为了核算涡轮设计方案，价设计结果的优劣，化涡轮气动特性．评优从多级联算的角度，用多重网格技术，采在
静、动叶之间利用 “ 混合平面 ” 方法对高温气冷堆氦气轮机的六级涡轮进行了三维黏性流场计算分析．结果表明，论总无
体参数还是叶列问参数计算值与设计结果均吻合较好，且经分析发现导叶采用了” 并后部加载 ” 型，涡轮具有了优叶使
ｏｈｎｈｂｉｉｇＩｄｓｙＣｒｏａｏ，ｒｉ１０７，ｈｎ）ｆｉａＳｉｕｌｎｕｔｏｐｒｔｎＨａｂ５０８ＣｉａＣｐｄｎｒｉｎ
Ａｂｓｒｃ：ｒｖｕｂｎｔａｔＴｏｐｏｅａｔｒｉｅ’Ｓｉｉｉｌｄｓｇｎｔａｅｉｎ，ｅａｕａｅｔｅｉｎｒｓｌ，ａｄｏｔｍｉｅｔｅｔｒｉｅ，ａｒｄｎｍｉｖｌｔｈｅｄｓｇｅｕｔｎｐｉｚｈｕｂｎｓｅｏｙａｃ