高温ガス炉ガスタービン発電システム(GTHTR300)用ヘリウムガス圧縮機インレットディストーションによる性能への影響評価(受託研究)

Evaluation of effect of inlet distortion on aerodynamic performance of helium gas compressor for Gas Turbine High Temperature Reactor (GTHTR300) (Contract research)

高田 昌二; 滝塚 貴和; Yan, X.; 黒河内 直浩; 國富 一彦 

Takada, Shoji; Takizuka, Takakazu; Yan, X.; Kurokochi, Naohiro; Kunitomi, Kazuhiko

高温ガス炉ガスタービン発電システム用ヘリウムガス圧縮機では、入口主配管を吸込ケーシングの分配流路の流れ方向に直角に接続するため、分配流路に流入した流れが分配流路壁面からはく離して、逆流領域を形成することにより流動抵抗を増加させる。分配流路内における全圧の周方向差の増加に伴い、翼列入口での流速の差が増加し、圧縮機性能を劣化させるインレットディストーションが発生する可能性がある。圧縮機モデル性能試験装置により、インレットディストーションの大きさを変化させた試験を実施し、圧縮機性能への影響を評価した。逆流発生領域前後で周方向流速を均一化させるよう壁面から流れを注入して、はく離と逆流を解消させることにより、設計点でインレットディストーションを約23%低減でき、定格流量における翼列間断熱効率を約0.5%向上させることができた。サージ点修正流量を10.0kg/sから9.5kg/sまで低減した。吸込ケーシング入口主配管にオリフィスを設置してインレットディストーションを約4%増加させることにより、翼列間断熱効率が約1%低下した。以上の結果から、定格流量における翼列間断熱効率のインレットディストーションに対する相関式を並行圧縮機モデルに基づき導出した。試験から得られた効率のレイノルズ数依存性から予測した断熱効率は90.2%であった。試験結果を用いて検証された設計コードによる実機圧縮機の効率は89.7%とよく一致し、設計値89.0%を満足した。

Because the main pipe is connected perpendicular to the flow direction inside the distributing header in the inlet casing of the helium gas compressor design of GTHTR300, the main flow flowing into the header tends to separate from the header wall and to cause reverse flow, which increases flow resistance in the header. This phenomenon increases the total pressure loss in the header and inlet distortion, which is considered to deteriorate the aerodynamic performance of the compressor. Tests were carried out to evaluate the effects of inlet distortion on aerodynamic performance of compressor by using a 1/3-scale helium gas compressor model by varying a level of inlet distortion. Flow was injected from the wall of header to adjust circumferential velocities uniform before and after the inverse flow region to dissipate the separation and inverse flow. At the rated flow point, inlet distortion was reduced 2-3 % by injection, which resulted in increasing adiabatic efficiency of blade section around 0.5 %. At the same time, pressure loss of the inlet casing was reduced around 3-5%, which is equivalent to adiabatic efficiency improvement around 0.8%. Surge flow rate was lowered from 10.0 kg/s to 9.6 kg/s. By setting orifice at the inlet of inlet casing and increasing inlet distortion 4% higher, the adiabatic efficiency of blade section became 1 % higher. A new correlation between inlet distortion and adiabatic efficiency of blade section at the rated flow rate was derived based on compressor-in-parallel model and fitted to the test results. Overall adiabatic efficiency of full scale compressor was predicted 90.2% based on the test results of efficiency and Reynolds number correlation, which was close to 89.7% that was predicted by test calibrated design and CFD codes, which satisfied the design value 89.0 % of the compressor for GTHTR300.