高負(fù)荷氦氣壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)及性能研究.pdf

1、氦氣工質(zhì)的閉式布雷登循環(huán)熱機(jī)，在新的能源與環(huán)境形勢(shì)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(jiǎn)化系統(tǒng)。氦氣輪機(jī)是高溫氣冷堆的關(guān)鍵設(shè)備，而氦氣壓氣機(jī)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)是難點(diǎn)之一。
　　 按照空氣工質(zhì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則進(jìn)行氦氣壓氣機(jī)設(shè)計(jì)，級(jí)壓比小、級(jí)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(fù)荷”氦氣壓氣機(jī)級(jí)的設(shè)計(jì)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(diǎn)的新型基元級(jí)速度三角形來進(jìn)行氦氣壓氣機(jī)設(shè)計(jì)。采用商業(yè)軟件NUMECA對(duì)294種新型大轉(zhuǎn)折角平面葉柵進(jìn)行數(shù)值模擬，利用三次樣條插值函數(shù)對(duì)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(jìn)行研究。研究結(jié)果表明：高負(fù)荷氦氣葉柵在出氣角為負(fù)值時(shí)不能再用擴(kuò)壓因子來關(guān)聯(lián)損失，在計(jì)算高負(fù)荷氦氣壓氣機(jī)葉柵總壓損失系數(shù)和落后角時(shí)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(jìn)一步提高新型葉柵的性能，對(duì)總

3、壓損失系數(shù)較大的平面葉柵進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建基于數(shù)據(jù)庫(kù)樣本空間的近似函數(shù)，采用遺傳算法來尋找新的設(shè)計(jì)，并對(duì)新的設(shè)計(jì)進(jìn)行氣動(dòng)性能預(yù)測(cè)。首先對(duì)中弧線進(jìn)行優(yōu)化，得到優(yōu)化葉柵后再對(duì)厚度分布進(jìn)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(jì)算方法進(jìn)行新型基元級(jí)的性能計(jì)算，并挑選性能優(yōu)良的基元級(jí)進(jìn)行了三維級(jí)氣動(dòng)設(shè)計(jì)和數(shù)值模擬研究，同時(shí)也對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的三維級(jí)進(jìn)行了對(duì)比研究。研究結(jié)果表明

4、：高負(fù)荷基元級(jí)沿徑積疊成三維級(jí)是可行的；相同條件下，高負(fù)荷設(shè)計(jì)三維級(jí)方案設(shè)計(jì)點(diǎn)的級(jí)壓比是常規(guī)設(shè)計(jì)的2倍多，且效率還能維持較高的水平。
　　 針對(duì)一種跳出常規(guī)空氣工質(zhì)設(shè)計(jì)規(guī)律范圍的、旨在顯著提高氦氣壓氣機(jī)的級(jí)負(fù)荷能力的設(shè)計(jì)思路，利用前期設(shè)計(jì)的該種類型高負(fù)荷氦氣平面葉柵數(shù)值試驗(yàn)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(dòng)設(shè)計(jì)與數(shù)值模擬耦合迭代的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了高負(fù)荷氦氣壓氣機(jī)的多級(jí)設(shè)計(jì)。
　　 三級(jí)氦氣壓氣機(jī)的數(shù)值模擬結(jié)果顯示

5、：在指標(biāo)參數(shù)方面，三級(jí)總壓比設(shè)計(jì)點(diǎn)達(dá)到1.467，平均級(jí)壓比為1.136，其級(jí)壓升達(dá)到常規(guī)設(shè)計(jì)的兩倍以上(常規(guī)設(shè)計(jì)級(jí)壓比只有1.05至1.06)；三級(jí)壓氣機(jī)效率達(dá)到88.4％，與常規(guī)設(shè)計(jì)相當(dāng)。第一級(jí)三維流場(chǎng)與前期研究完成的單級(jí)三維流場(chǎng)很相似，局部背弧尾緣有小的分離旋渦，流動(dòng)應(yīng)屬穩(wěn)定；第二級(jí)和第三級(jí)三維流場(chǎng)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(yuǎn)好于第一級(jí)的結(jié)果，這有利于多級(jí)設(shè)計(jì)。在運(yùn)行裕度相關(guān)方面，進(jìn)行了90％