高温气冷堆氦气轮机性能的初步研究

结合了模块式高温气冷堆与气体透平循环技术的高温气冷堆氮气轮机循环是核电领域中的全新概念,为高核电的安全性和经济性提供了新思路,具有很强的竞争优势。首先对高温气冷堆氦气轮机进行了初步研究,表明氦气轮机叶片级数多,叶片高度低。然后应用商业软件NUMECA对平面叶栅在相同的进出口条件下分别以氨气和空气为工质进行了二维数值模拟计算,并进行了流场分析,揭示了氦气轮

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第 5糟第 4期20 0 6年 l 2月

热科学与技术 J u n l fT e ma ce c n e h o o y o r a h r lS in ea d T c n lg o

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文章编号： 6 1 8 9 ( 0 6 0— 3 70 1 7— 0 7 2 0 ) 4 0 6—4

高温气冷堆氦气轮机性能的初步研究周佳慧，郑 群，刘顺隆 (哈尔滨工程大学动力与核能工程学院，黑龙江哈尔滨 10 0 50 1)

摘要：结合了模块式高温气冷堆与气体透平循环技术的高温气冷堆氮气轮机循环是核电领域中的全新概念，为高核电的安全性和经济性提供了新思路，具有很强的竞争优势。首先对高温气冷堆氦气轮机进行了初步 研究，明氦气轮机叶片级数多，表叶片高度低。然后应用商业软件 NUME A对平面叶栅在相同的进出口条件 C 下分别以氦气和空气为工质进行了二维数值模拟计算，并进行了流场分析，揭示了氦气轮机与燃气轮机的区别

关键词：高温气冷堆；氦气轮机；数值模拟中图分类号：T 6 K2 文献标识码： A

0前言 刖再高温气冷堆采用耐高温的陶瓷型涂敷颗粒燃料元件，以化学惰性和热工性能良好的氦气作为冷却剂，以耐高温的石墨材料作为慢化剂和堆芯材料L。料元件的设计温度现在已达到 1 60 1燃] 0

1氦气轮机的基本特性 虱气靶 L酮墨待’匪1 1氦气的物性 .氦气在 0~ 30 0℃、.~ 1 P 0 01 0M a时非常

接近理想气体，比定压热容 c其和绝热指数几乎为常数， c一 5 1 3k/ k K)= 1 6。 . 9 J ( g , . 7与空气或燃气相比，氦气具有较高的比定压热容 (约

C,即使在反应堆冷却剂全部丧失的情况下这种

燃料也不会破损而造成泄漏，因为堆芯余热能够通过自然对流、热辐射和热传导有效地向外传出， 使得反应堆堆芯在发生任何事故的情况下都不至

为空气的 5倍 )因此在同样温差条件下氦气的压，

缩比较小，且在同样输出功率条件下氦气的质并量流量小。氦气还具有较好的传热特性和较小的摩

于被熔化。此之外，温气冷堆还具有规模小、除高

建设周期短、本低、成模块化生成等传统核反应堆所不具有的优点。因此，温气冷堆不仅具有固有高安全性，而且还具有良好的潜在经济性u J。 高温气冷堆氦气轮机是将氦气轮机与模块式

擦特性，利于提高换热器效率，小换热器体有减积 引。

1 2氦气轮机和燃气轮机的一维设计分析 .

本文对高温气冷堆氦气轮机从热力学和气体动力学角度进行初步的设计和分析，以得到氦气轮机叶片系统的基本特征。在不影响研究目的的前提下，文对设计模型进行了适当的简化，本即气

高温气冷堆相结合，用高温堆产生的高温氦气利直接推动气轮机做功进行高效率发电『。目前 4与]

的蒸汽轮机相比氦气轮机发电系统结构紧凑都安装在一回路压力边界内，采用中间冷却和回热等技术后热效率高。由于氦气的比热容大，环比功循

轮机内的流动为一元定常流动，叶片中径的圆过柱面为设计基准面。气体在流道中作一元流动时，遵循的气体动力学基本方程：续方程、量方连能程、动量方程。了得出氦气轮机与燃气轮机的区为

也大。随着近年来堆芯出口温度不断提高，蒸汽循

别，本文采用等内径设计，同样的进出口压力、在

环难以充分发挥高温的优势，循环效率得不到提高。氦气轮机循环可以突破蒸汽动力循环的温度限制，从而成为研究高温气冷堆高效率发电的一个重要方向

功率下设计了燃气轮机。计算初始条件和计算结果如表 1 2所示，、由表 2可得出氦气轮机有以下特点：功多级数多，片短，做叶 Ma小，量流量质小，流速度大。气

收稿日期，2 0—21;修圊日期：20—9 1. 0 51—1 0 60—3 作者简介：佳慧 (9 9)女，硕士；郑群 ( 92 )周 17一. 1 6一，男 .教授，士生导师博