高温气冷堆HTGR_10能量转换单元中压气机气动性能试验研究

, 项目涵盖了高温气冷堆 ( HT
GR ) 10 能量转换单元的研究和改进. 该高温气冷堆 采用第 4 代反应堆, 能量转换系统为有预冷带回热 B rayton 循环 , 用氦气冷却剂作为循环工质
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收稿日期 : 2008 03 03 . 作者简介 : 朱荣凯 ( 1965 ), 男, 副教授, E m ai: l zrk @ hrbeu . edu . cn .
Testing compressor aerodynam ic perfor m ance in the power conversion unit of HTGR 10
Z HU Rong kai , Z HANG J ian , ZH ENG Qun , ZUO J i guo
Pow er and Energy Eng ineer ing, H arb in Eng ineer ing U n iversቤተ መጻሕፍቲ ባይዱty , H arb in 150001, China)
第 30 卷第 2期 2009 年 2 月
哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报 Journal of H arb in Eng ineering U niversity
Vo. l 30
. 2
F eb. 2009
高温气冷堆 HTGR 10能量转换单元中 压气机气动性能试验研究
朱荣凯 , 张
1
健 ,郑
1
群 , 邹积国
2
2
( 1. 哈尔滨工程大学 材料科学与化学工 程学院 , 黑龙 江 哈尔 滨 150001 ; 2. 哈 尔滨 工程 大学 动 力与 能源工 程学 院 , 黑龙江 哈尔滨 150001) 摘 要 : 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 . HTGR 10
第 2期
朱荣凯 , 等 : 高温气冷 堆 HTGR 10 能量转换单元中压气机气动性能试验研究
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元件对试验件进出口、 稳流箱、 流量管的测点进行详 细、 精确的测量. 采用仪表和传感器监视其余重要部 件的压力. 传感器的测量精度不低于满量程的 2 5∃ . 2 3 转速测量 采用变频调速器进行转速测量, 分别测量电机 输出轴和试验件传动轴的转速. 记录变频调速器显 示的频率值 , 即可确定实际试验转速 . 2 4 功率测量 功率不能直接得到, 要根据测量得到的压比, 以 及试验件进口和出口平均截面上的总温 , 再使用相 应的计算公式计算得到试验件的效率 . 其他测量 为确保整个试验系统能够安全、 稳定的运行, 对 氦气冷却器进出口气体温度和压力、 齿轮箱内的轴 承温度、 齿轮箱进出口油压和油温、 冷却水的温度和 压力、 试验件轴承的温度进行测量和记录 , 以确保设 备正常工作 . 2 5
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HTGR 10 的透平 和压气机的气 动设计的目 的 是为了提高效率, 影响 H TGR 10 能量转换单元效率 的主要因素是涡轮的效率、 压气机的 效率、 压 缩能 力、 压力损失, 透平旁路质量流率以及压气机泄漏等 等. 其中透平和压气机都是多级轴流式 , 并且同轴直 接连接到发电机上共同工作. 压气机 ∀ 涡轮 ∀ 发电 机系统可以采用水平安装和垂直安装 , 总体就设备 占地体积而言 , 垂 直设计 要比 水平设 计节 约体 积
图 2 氦气 压气机气动性能封闭循环测试系统 F ig . 2 C losed loop syste m of helium aerodyna m ic test
试验机通过膜片联轴器 ∀ 增速器 ∀ 膜片联轴器 由 315 k W 的电动机驱动 , 转动速度 ( 转速范围在 3 000~ 15 000 rad /m in) 由电动机和增速器来调节. 氦 气进入试验压气机之前 , 先经过稳流箱、 流量测量管 进入测试段. 试验机的进口压力和出口压力由节流 阀, 退喘阀和进口控制阀联合控制 . 氦气的温度由冷 却器调 节 冷却 水 流量 来 控制 ( 氦 气 /水热 交 换 系 统 ). 试验机主要由进气段 ( 进气机匣、 导 流罩 ) 、 机 匣 ( 机匣壳体、 排气蜗壳 ) 、 轴、 轮盘、 叶片、 轴承 /轴 承座等部件组成.
检测系统采用探针和传感器来测量实验数据如 温度、 静态压力和气流速度等 . 计算机系统同步地收 集和处理这些数据 , 显示在控制台的屏幕上 , 以确保 数据的及时性和准确性 . 系统采用 380 V 三相交流 电源从配电室经过动力电缆连接到变频控制柜里面 的空气开关的输入端, 空气开关的输出端再连接到 变频器电源输 入端 子, 变 频器 输出端 子经 电抗 器 ( 防止谐波干扰 ) 连接到交流电机. 循环系统管道的内径为 400 mm, 在压气机的进 口, 出口和测量孔测量工质的温度和静态压力, 通过 测量孔的压力变化计算氦气的流率 . 压力由测量孔 朝向叶片间隙方向的空速管测量 . 计算压气机的效 率还要收集轴扭矩 , 电动机功率和气流的其他参数, 同时也要测量振动和噪音. 测量系统由传感器、 传送器, AD 采集模块 , 计 算机系统和其他设备组成. 测量主要包括以下 5 方 面内容. 2 1 流量测量 测试采用流量管进行流量测量 , 得到间接测量 值. 流量管进口总温、 总压以稳流箱内测得的总温和 壁面静压为准 , 其流量系数在调试时进行校准. 2 2 压力测量 采用总压探针、 压力传感器、 差压变送器等电子
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第 30 卷
6 % 左右 , 同时可以节省 1 % 的工程 建设费用
.轴
承连接采用电磁轴承, 由于解决了设备垂直安装的 技术难题, 所以采用垂直安装方案. 氦气压气机的气 动性能直接关系到能量转换单元性能, 以致高温气 冷堆的性能 . 该文的研究目标就是通过试验获得氦 气轴流试压气机的气动性能 , 并且论证用空气工质 代替氦气所采用的相似模拟方法.
1 氦气封闭循环测试系统
为了测试轴流压气机的气动性能, 设计并建造 了一套封闭循环系统试验装置. 装置的主要系统由 5 个子系统和性能测试系统组成 , 如图 1 所示. 5 个 子系统为: 1) 氦气循环系统 : 氦气压气机试验机 , 冷 却器, 出口气流控制阀 , 压力调节阀, 孔板流速计, 进 口压力控制阀和管道; 2)氦气源系统: 氦气储气罐 , 阀门, 真空泵, 隔膜压缩泵 ; 3) 空气供给系统: 螺杆 式压缩机、 空气储罐、 复合压缩空气干燥器 ; 4) 冷却 水系统 : 玻璃钢冷却塔, 水泵 , 电子净化装备 ; 5) 动 力系统 : 315 k W 电动机 , 变频器 , 油泵, 润滑油过滤 器 , 润滑油冷却器 .
3 2 氦气压气机的气动设计及模化参数 试验机为单级压气机, 通过试验机的实验结果 就能准确计算出实际压气机的气动性能. 由于氦气 和空气的热物性有很大的差别 , 氦气轴流压气机的 设计与空气压气机相比也会有很多不同. 氦气压气 机具有以下特性: 1) 压气机 流道的几何尺寸随着级数的增 加保 持不变, 即多级氦气轴流压气机采用直流道设计 ; 2) 大轮毂 比 ( 约 为 0 94 ), 单级 压比 低 ( 约 为 1 058) ; 3) 级 数多 . 氦 气压 气机 的低压 段的 级数 为 8 级, 高压段的级数为 10 级. 这样的结构会给压气机 的制造带来很多困难; 4)低马赫数 ( M a < 0 4), 低雷诺数 ( R e < 2 ∋ 5 10 ). 这个特性使得二次流对效率的影响不能忽略, 并且氦气压气机的喘振裕度比一般的空气压气机小. 根据以上分析简化 , 采用 Concepts NREC 软件 的 Ax ial轴流压气机设计模块计算氦气压气机气动 设计参数 . 使用空气取代氦气作为工质进行模拟时, 以此设计参数进行了压气机的几何尺寸设计, 模拟 时同时保证几何相似, 进出口速度三角形相似, 微分 方程法分析法得到压气机相似模拟的相似准则为 : Sr、 R e、 Eu . 据此准则得到空气模拟参数 , 气动设计 及模化参数见表 1 .
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( 1. Co lleg e o fM ate rial Science and Che m ica l Eng ineering , H arb in Eng ineering U niversity , H arb in 150001, Ch ina ; 2. Co llege of
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氦气循环系统测试
图 1 压气机气动性能试验系统示意图 F ig . 1 Sche m atic flow diag ram of helium gas loop for co m pressor aerodyna m ic performance
图 2 所示为氦气循环系统整体结构示意图 , 氦 气作为工质时, 系统内的工作压力保持在 1 MP a .采 用氦气轴流压气机高压段的第 1 级作为试验机 , 试 验机的几何尺寸与 HTGR 10 中压气机的几何尺寸 相同. 对于氦气试验和空气试验, 折合转速不同 , 目 的是保持不同工质试验时周向马赫数一致 . 实验测 试的气动力学性能数据为效率 , 压比等, 通过实验结 果对比分析来检验氦气轴流压气机的设计方案 , 同 时为 H TGR 10 的氦气轴流压气机进一步气动优化 设计提供实验数据.
Abstract : T his paper discusses an experi m ental invest ig ation o f the heliu m compressor in the system o f the h igh temperature gas reacto rHTGR 10 . T he system uses a direct helium Bray ton cyc le for pow er conversion . In th is con fig uration , there is strong coup ling be t w een the com presso r and other elem ents in th e system. E sti m ation o f com presso r perfor m ances in stab le and transient operat io ns is high ly i m po rtant for the designer . In order to get a re liable data , an experi m enta l syste m w as buil. t Under d ifferent operat ing pressures, the com pressor behav io r curves w ere obtain ed for bo th he lium and a ir . T he possibilit ies were stu died and the m ost e ffect iv e approach for design in g a heli um compressor w as chosen, g iven the experi m en tal data for the air com pressor . T he si m u lation m eth od used in th is experi m ent w as exam ined, and the resu lts show that the si m ulat io n w as effect iv e . K eyword s : high te m peratu re gas reactor ; helium com pressor ; experi m enta l investigation ; analog si m ulation 高温气 冷堆 ( H TGR ) 10 !在 2003 年被我国 列为国家 863 项目
采用 Bray ton 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 . 对于系统整体设计 来说 , 准确地估 算压气 机气动 性能 , 稳定性 边界和 运行性 能是很 重要的 , 因此 针对 HTGR 10 氦压气机的设计方案 , 建立 了完整的实验装置系统 , 并且在不 同操作压力、 转速 下分别得到 了氦气和空 气作为 工质时 的 压气机特性曲线 . 最后 , 对于用空气代替氦气作为工质进行实 验做了对比 分析 , 研究了通过 相似模拟方 法用压 气机的 空 气实验数据设计氦气压气机可行性和有效性 . 对比试验结果表明相似模拟的准确性很高 . 关键词 : 高温气冷堆 ; 氦气轴流压气机 ; 试验研究 ; 相似模拟 中图分类号 : TK 474 . 8 文献标识码 : A 文章编号 : 1006 7043( 2009) 02 0233 06