Aerodynamic design, model test, and CFD analysis for a multistage axial helium compressor

多段軸流ヘリウム圧縮機の空力設計及びその設計検証試験及び解析

Yan, X.; 滝塚 貴和; 國富 一彦 ; 伊高 英彦*; 高橋 邦雄*

Yan, X.; Takizuka, Takakazu; Kunitomi, Kazuhiko; Itaka, Hidehiko*; Takahashi, Kunio*

300MWe級原子力ガスタービンの多段軸流ヘリウム圧縮機の空力設計研究及びその設計検証の結果を報告する。ヘリウム圧縮機は多段,狭流路となり、損失が大きくなりやすいことから、その設計は容易ではない。ヘリウム圧縮機特有の問題を克服し、高効率を達成するために、先端的な空力設計技術を採用した。縮尺モデルによる圧縮機空力性能試験及び3次元粘性CFD解析を行って、設計を検証した。さらに、実機圧縮機の空力性能を予測する性能モデルを構築した。レイノルズ数及び表面粗さが圧縮機の空力性能に大きな影響を与えることを示した。

Helium compressor aerodynamics is challenged by the characteristically narrow and numerous-stage flowpath which enhances loss effects of blade surface and end wall boundary layers, secondary and clearance flows, and any occurrence of flow separation and stage mismatch. To meet efficiency and reliability requirements of nuclear application, baseline and advanced aerodynamic design techniques are incorporated with intent to mitigate the flowpath adverse working condition and losses. Design validation is carried out by test and test-calibrated 3D viscous CFD analysis on a subscale model compressor. The data and computational insights of overall performance and internal flow behavior are used to establish a performance model based on Reynolds number. The model applicable to all geometrically similar designs shows sensitive responses of aerodynamic efficiency to Reynolds number and surface roughness.