超临界二氧化碳离心压缩机热力学性能研究
摘要
布雷顿循环在循环效率、设备紧凑性、结构复杂度等方面有突出优势，在第四代核
反应堆技术中的能量转化利用方向上有着广阔的前景。超临界二氧化碳离心压缩机是以
超临界二氧化碳为工质的布雷顿循环核心部件之一，研究超临界二氧化碳离心压缩机热
力学性能对于超临界二氧化碳离心压缩机优化设计、与布雷顿循环系统的匹配以及系统
优化设计有重要意义。本文对超临界二氧化碳离心压缩机开展了几何结构对热力学性能
的影响研究，以及基于不同方法（三维方法、一维系统三维设备耦合方法）的瞬态运行
特性研究。
本文首先介绍了超临界二氧化碳离心压缩机一维设计方法和三维数值模拟方法，依
托一维设计方法完成了一台1.8MW超临界二氧化碳离心压缩机的设计。以美国Sandia
实验室的主压缩机作为验证模型完成了几何模型复现和性能分析，最终验证结果为压比
误差不超过5%、效率误差不超过3.3%，确定了设计及数值计算方法的可靠性。
之后以第二章设计得到的离心压缩机为原型，从叶片数、叶顶间隙、叶片后弯角、
分流叶片长度、无叶扩压器长度这5个方面改变离心压缩机的结构，分析它们各自对离
心压缩机热力学性能的影响。研究发现，叶片后弯角和无叶扩压器长度系数的改变对离
心压缩机热力学性能影响最大，其次是叶片数、分流叶片长度和叶顶间隙。叶片数和叶
片后弯角对压缩机热力学性能的影响机理类似，均来自于相对出口速度的改变，出口相
对速度增大会降低叶轮做功能力使压比减小；叶顶间隙主要对压缩机压比影响较大，大
间隙下压比下降较大；分流叶片有助于改善流场，本文中最佳分流叶片长度系数为0.74；
无叶扩压器长度系数需适当取较大值以保证对流体动能的充分利用以提高压缩机整机
的压比和效率。
最后开发了模块化超临界二氧化碳闭式布雷顿循环核反应堆系统的一维分析程序，
并验证了一维程序的准确性。在此基础上开发了一维系统与三维设备耦合数据接口程序，
借助接口程序研究反应堆引入正反应性时离心压缩机的瞬态运行特性，并与基于近似边
界条件法的三维计算结果进行了对比，研究发现，一维三维耦合方法对系统产生的波动
有更快的响应速度，响应时波动振幅也更小，计算误差低于三维方法，采用耦合方法计
算有利于降低离心压缩机的运行特性研究的误差。
关键词：超临界二氧化碳；离心压缩机；热力学特性；耦合计算；瞬态运行特性
I
超临界二氧化碳离心压缩机热力学性能研究
ABSTRACT
Braytoncyclehasoutstandingadvantagesincycleefficiency,equipmentcompactnessand
structuralcomplexity,andhasbroadprospectsinthedirectionofenergyconversionand
utilizationinthefourthgenerationnuclearreactortechnology.Supercriticalcarbondioxide
centrifugalcompressorisoneofthecorecomponentsofBraytoncyclewithsupercriticalcarbon
dioxideastheworkingfluid.Itisofgreatsignificancetostudythethermodynamicperformance
ofsupercriticalcarbondioxidecentrifugalcompressorfortheoptimaldesignofsupercritical
carbondioxidecentrifugalcompressor,thematchingwithBraytoncyclesystemandtheoptimal
designofsystem.Inthispaper,theinflu