超臨界二氧化碳旋轉機械動密封技術研究進展

李志剛，袁 韜，方 志，李 軍(1.西安交通大學 能源與動力工程學院 葉輪機械研究所， 西安 710049；2.陜西省葉輪機械及動力裝備工程實驗室， 西安 710049)

超臨界二氧化碳(Supercritical Carbon-Dioxide，SCO2)閉式布雷頓循環系統是以SCO2工質旋轉機械(透平、壓氣機或泵)和換熱器為核心部件，以SCO2為工作介質的能量循環系統，被認為是目前最具應用前景的能量轉換系統之一[1]。相比于傳統燃氣輪機布雷頓循環、氦透平和蒸汽透平朗肯循環，SCO2發電循環系統和動力循環系統具有循環效率高、循環布局簡單、結構緊湊、系統組件數量少和尺寸小的優點[2-3]。SCO2工質透平、壓氣機或泵等旋轉機械作為循環系統的核心動力部件，其運行性能對系統循環效率具有決定性影響。作為旋轉機械的關鍵部件，動密封技術控制著旋轉機械中動靜間隙處工質的泄漏流動，且存在顯著的非定常氣流激振力，對旋轉機械能量轉換效率和運行穩定性具有顯著影響[4]。SCO2循環動力系統旋轉機械的動密封技術是實現SCO2循環工業應用的關鍵核心技術之一，國內外科研機構針對動密封技術方案設計和封嚴性能開展了相應的實驗測量、數值模擬和理論分析研究，為SCO2循環動力系統的安全高效運行提供了理論基礎和技術支撐。

1 SCO2循環旋轉機械動密封技術及挑戰

由于SCO2流體密度高的物性，SCO2旋轉機械具有能量密度高、尺寸小的特點，一般運行在極高轉速下，尤其是小功率等級(功率低于 3 MW)的機組，轉速更高。目前，國內外研究機構已開展了10 kW ～1 000 MW 功率等級的SCO2布雷頓循環系統的旋轉機械動力部件的性能驗證實驗或方案設計研究[1,3]。圖1 給出了目前國內外SCO2旋轉機械轉速、功率的匹配[3]。目前1 MW以下(10 kW～1 MW)的SCO2旋轉機械設計轉速高達75 000 r/min，SCO2動力裝置采用透平-發電機-壓氣機(TAC)同軸單腔整體布置方案。7～50 MW SCO2旋轉機械設計轉速為10 000～50 000 r/min，SCO2動力裝置多采用齒輪箱連接透平、壓氣機、發電機的布置方案；100 MW以上(100～1 000 MW)的SCO2旋轉機械設計轉速可降至與發電蒸汽輪機相同的量級，即3 000 r/min或3 600 r/min。SCO2動力裝置多采用透平同軸直接驅動壓氣機和發電機的布置方案。圖2給出了不同功率等級的SCO2透平、壓氣機級軸端動密封的設計方案建議。目前所有功率等級的SCO2壓氣機均采用單級或多級離心壓氣機的設計方案，10 MW以下采用徑流式透平方案，50 MW以上多采用軸流式透平方案。不同的SCO2動力裝置布置方案和透平、壓氣機結構形式(軸流、徑流)對軸端動靜間隙動密封性能具有不同的要求，需采用不同的SCO2軸端動密封方案。目前常用的動密封方案為先進迷宮密封(可磨損靜子件)和干氣密封。

圖1 SCO2透平、壓縮機轉速與功率等級[3]

圖2 不同功率等級SCO2透平、壓縮機及軸封方案 [1,3]

1.1 小功率等級SCO2循環旋轉機械密封技術

表1列出了國內外文獻中SCO2布雷頓循環系統動力裝置性能參數和動密封方案。國內外對SCO2透平、壓氣機部件性能試驗測試和示范循環系統的實驗研究主要針對小功率(10 kW ～10 MW)核動力循環系統和太陽能熱發電循環系統[1,3]。而大功率(100 MW級)燃煤和天然氣SCO2發電循環系統中透平和壓氣機部件的研究還處在初步的概念設計階段。由于SCO2具有很大的能量密度，小功率SCO2透平和壓氣機具有高壓差、小尺寸、小流量、高轉速的特點(SANDIA 國家實驗室的125 kW的透平葉輪直徑僅4～7 cm，轉速高達75 000 r/min)[5-8]。為減小軸端泄漏損失，1 MW以下的SCO2動力裝置一般采用透平、壓氣機、發電機、軸承(需采用氣體箔軸承或電磁軸承)等部件整體裝配在一個完全密閉缸體中的TAC方案。如圖3所示，該TAC方案采用氣體箔軸承或電磁軸承支承轉子，不需要采用軸端密封對透平 / 壓氣機軸端排氣與軸承腔或大氣環境進行隔離，但為避免高密度SCO2流體在發電機腔室內產生較大的鼓風損失，仍需采用動密封使系統形成一個密閉的低壓腔室(腔室壓力維持在1.4 MPa左右)，以解決軸承的密封、潤滑和冷卻問題，同時減小鼓風損失。受小尺寸、高轉速的限制，市場上未有滿足要求的干氣密封產品(市場上的干氣密封軸徑大于100 mm)，目前采用TAC方案的小功率SCO2透平及壓氣機均采用先進迷宮密封(采用浮動可磨損密封靜子件)作為軸端密封。但由于SCO2迷宮密封存在泄漏量大、鼓風損失嚴重等問題，采用TAC方案的SCO2動力裝置的輸出功率僅為設計功率的10% ～40%，循環效率很低。

表1 國內外主要SCO2布雷頓循環系統動力裝置性能參數和動密封方案[1, 7-12]

圖3 SANDIA 實驗室125 kW SCO2透平、壓氣機部件示意圖[5]

SANDIA國家實驗室針對125 kW SCO2透平及壓氣機的動力部件性能開展了大量實驗研究[5]，并對不同動密封結構(至少16種迷宮密封結構)的封嚴性能、運行壽命進了測量。表2給出了SANDIA國家實驗室125 kW SCO2動力裝置軸端密封方案的設計歷程。研究結果表明[13-14]：采用普通迷宮密封時，SCO2動力裝置透平和壓氣機軸端泄漏量偏大，發電機腔室壓力大，鼓風損失嚴重，無有效功輸出，且密封件磨損嚴重；將密封件更換為可磨損迷宮密封(靜止可磨損密封靜子件+高低齒轉子件)，解決了泄漏量大的問題，但密封件磨損失效問題依然嚴重；進一步將密封件更換為浮動靜環可磨損迷宮密封(浮動可磨損密封靜子件+高低齒轉子件)后，泄漏量和發電機腔室壓力均進一步減小，運行轉速進一步提高，但由于氣流激振誘發轉子振動失穩，轉速和功率均未達到設計值。SANDIA 研究團隊指出：小功率SCO2動力裝置(透平、壓氣機)動靜間隙存在著嚴重的工質泄漏、鼓風損失、動靜碰磨、氣流激振等問題，這對動密封的性能提出了更嚴苛的要求，常規旋轉機械密封的設計方案(迷宮、蜂窩或孔型、刷式、袋型)已不能滿足SCO2透平及壓氣機的封嚴和轉子動力學穩定需要。此外，SCO2壓氣機軸端密封還存在SCO2多相凝結和干冰問題，SCO2透平軸端密封存在高溫腐蝕問題。

表2 美國SANDIA 國家實驗室125 kW SO2 動力裝置軸封研發歷程[13-14]

1.2 大功率等級SCO2循環旋轉機械密封技術

大功率(大于10 MW)SCO2發電循環系統中透平和壓氣機部件的研究還處在初步的概念設計階段。如表1所示，10 MW以上的發電透平和壓氣機均采用透平、壓氣機分缸，油潤滑軸承支承的單軸多級離心壓氣機和軸流透平的設計方案[1,3,12]。該方案需采用軸端密封裝置使透平和壓氣機的高壓、高溫的軸端排氣與軸承及大氣環境隔離。大功率SCO2燃煤發電系統的透平(進口參數：20 ～30 MPa、 680 ℃)排氣具有高溫(500～600 ℃)、高壓(6.5～7.0 MPa)的特點，屬于高能流體，必須采用高性能的軸端密封技術控制SCO2透平軸端泄漏[15-16]。在燃氣輪機開式布雷頓發電循環系統中，透平軸端排氣壓力接近大氣壓，傳統迷宮密封、蜂窩密封和刷式密封能夠滿足封嚴要求。在蒸汽透平閉式朗肯發電循環系統中，透平軸端泄漏的蒸汽能夠凝結成液態，并被給水泵回收進入循環系統中，不存在做功工質的循環損失。然而在SCO2發電循環系統中，由于大氣壓力低于CO2三相點壓力，透平軸端泄漏工質只能以氣體狀態由輔助壓縮系統(一般由間冷離心壓氣機承擔)從大氣壓(0.1 MPa)壓縮至壓氣機進口壓力(6.8 MPa左右)。因此，SCO2透平軸端泄漏工質不僅造成工質有效熱能損失，還將導致輔助壓縮功耗增加，致使循環效率降低，以及工質侵入軸承潤滑油，污染潤滑系統。因此必須采用高性能密封技術達到近似零泄漏的封嚴效果，軸端密封方案均采用了高性能端面密封-干氣密封。

表3列出了國內外部分廠家干氣密封參數范圍[17]。市場上已有的干氣密封產品不能滿足大功率(大于100 MW)SCO2透平和壓氣機軸端在高溫度(透平排氣溫度400～600 ℃)、大軸徑(300～600 mm)等運行參數下的封嚴要求。而且SCO2干氣密封運行中還面臨SCO2實際氣體臨界點附近非線性物性、多相凝結流動和端面摩擦、高溫腐蝕等特殊問題。SCO2透平及壓氣機軸端干氣密封進口壓力一般為7.8～20 MPa，位于臨界點以上，而出口壓力為0.1 MPa，工作壓力跨過了臨界壓力，因此必須考慮SCO2實際氣體臨界點附近非線性物性的影響。SCO2透平軸端排氣溫度較高(200～700 ℃)，超出了干氣密封材料承受范圍(進口溫度一般應小于177 ℃)，需設計熱管理系統對SCO2透平軸端排氣進行冷卻，因此需考慮干氣密封進口溫度對密封性能的影響。此外，SCO2壓氣機或透平啟動過程中，軸端干氣密封進氣壓力較高(10～25 MPa), 溫度較低(30～60 ℃)，間隙泄漏流中存在多相凝結流動，甚至出現干冰，對潤滑氣膜的形成具有顯著影響，工程中一般采用軸系熱管理系統將密封氣體加熱至80～100 ℃，避免多相凝結流動和干冰的出現，因此需考慮間隙多相凝結流動對干氣密封性能影響，以及干氣密封進口極限溫度。SCO2透平及壓氣機啟停機、變工況過程中干氣密封運行工況變化劇烈，需考慮SCO2干氣密封非穩態動力學特性(氣膜動態剛度和阻尼特性)。

表3 國內外部分廠家干氣密封參數范圍[17]

大功率(大于10 MW)SCO2動力裝置一般采用多級離心式壓氣機和多級軸流式透平的設計方案，除軸端密封外，還存在級間密封、葉頂密封、平衡螺栓密封、輪蓋密封等動密封結構[3, 13-14]。相比于軸端密封，雖然此類密封結構處的進出口壓比較小，泄漏問題并不十分突出，但此類密封位于轉子中部，其安裝位置往往是轉子渦動振型的波峰和波谷點，此處具有較大的振動幅值，具有較大的密封氣流激振力，對軸系穩定性影響更為顯著。此外，葉頂、級間密封泄漏會對主流產生擾動，造成較大的通流損失。研究表明：密封氣流激振力與密封進口壓力、工質密度成正比；密封腔室內較大的周向旋流誘發的交叉氣流力是誘發旋轉機械失穩的主要原因。相比于空氣、燃氣、蒸汽等傳統工質，SCO2具有高壓力、高密度(水的密度的40%～60%)，以及臨界點附近強烈非線性物性的特點，而且SCO2透平、壓氣機具有高能量密度、高轉速的特點，級間密封和平衡螺栓密封進口存在顯著的周向旋流。因此，SCO2透平、壓氣機面臨嚴重的密封氣流激振力誘發的軸系失穩問題。目前大功率(大于10 MW)SCO2動力裝置設計方案中常采用帶有進口防旋板的迷宮密封和孔型密封作為透平及壓氣機的級間、葉頂和平衡螺栓密封方案。

2 SCO2循環旋轉機械密封技術性能研究

SCO2旋轉機械具有高壓、高溫、高轉速、小尺寸和高能量密度等特點，面臨著嚴重的動靜間隙泄漏損失和鼓風損失、多相凝結流動、動靜碰磨、高溫腐蝕以及氣流激振誘發轉子失穩等問題。

2.1 泄漏特性

限于復雜苛刻的實驗條件(高溫、高壓、高轉速)和嚴重偏離理想氣體物性特征的工質物性，傳統的實驗測量方法和數值預測方法的有效性受到了挑戰，目前對動密封在SCO2運行環境下的泄漏特性的實驗和數值研究較少。美國SANDIA國家實驗室[13-14]在125 kW SCO2透平和壓氣機部件性能驗證實驗中，對至少16種迷宮密封方案的封嚴性能進行了考核，最終確定具有浮動可磨損靜環的階梯型迷宮密封的封嚴性能和耐磨損性能最佳。Yuan等[18]采用實驗測量和數值模擬的方法研究了在進口壓力10 MPa，轉速為0 r/min下，壓比為1.1～3.0范圍內，直通型迷宮密封在SCO2運行環境中的泄漏特性，并采用基于OpenForm開源軟件的CFD數值模擬方法研究了壓比、密封齒數、腔室深度、密封間隙對SCO2迷宮密封泄漏量的影響。比較了CFD方法和基于傳統迷宮密封泄漏量計算公式的理論分析方法的預測精度。研究表明：由于SCO2臨界點附近非線性物性的影響，傳統迷宮密封泄漏量計算公式存在較大的預測誤差。Fairuz等[19]采用數值方法研究了進口壓力為4.6 MPa和8.5 MPa下，工質物性(空氣、CO2理想氣體、CO2真實氣體)對干氣密封泄漏量預測精度的影響。研究表明：在臨界點附近，SCO2物性與理想氣體、空氣存在較大的差異，這對泄漏量預測精度影響顯著；在SCO2動密封泄漏量計算中需考慮SCO2真實氣體物性的影響。

GE公司的研究人員針對SCO2透平、壓氣機軸端干氣密封封嚴性能開展了較深入的方案設計、實驗測量和數值研究。GE 公司的Bidkar等[12]完成了450 MWe SCO2一次再熱發電循環系統概念設計，以及450 MWe SCO2透平和壓氣機的概念設計，其中透平采用單缸雙排氣、一次再熱多級軸流方案。Bidkar等[16]采用一維分析模型研究了SCO2透平軸端泄漏損失對循環效率的影響。研究表明：采用傳統的迷宮密封，軸端泄漏量占透平總工質流量的0.3%～0.45%，相比于不考慮軸端泄漏損失情況，循環效率降低了0.55%～0.65%。采用干氣密封代替傳統迷宮密封可使450 MWe SCO2循環效率從51.2%增大到51.9%。GE公司的Thatte等[20]提出了SCO2干氣密封流熱固耦合多物理場分析模型，對10 MW SCO2透平軸端干氣密封泄漏特性、結構應力、靜力和動力特性進行了分析，并采用實驗方法測量了SCO2在臨界點附近的多相凝結流動特性。研究表明：由于SCO2臨界點附近的非線性物性，特別是工質密度的劇烈變化，SCO2干氣密封潤滑氣膜內存在多相凝結流動、阻塞流動、超聲速流動等復雜流動現象，進而引起干氣密封氣膜剛度、阻尼的劇烈波動，最終將引發干氣密封的碰磨失效。GE公司的Trivedi等[21]搭建了零轉速的靜止SCO2干氣密封實驗臺(實驗中工質是7.6 MPa的壓縮空氣)，測量了氣膜厚度、壓比、轉靜端面結構對干氣密封氣膜剛度的影響規律。

美國西南研究院的Rimpel等[22]針對100 MW等級SCO2動力裝置干氣密封設計研發，正在搭建全尺寸SCO2干氣密封實驗臺(密封直徑600 mm，轉速3 600 r/min，溫度200 ℃，進口壓力7.5 MPa)，驗證大軸徑SCO2干氣密封的封嚴性能。Bennett 等[23]介紹了Virginia大學的正在搭建的針對SCO2迷宮密封和孔型密封泄漏特性研究的實驗臺。

為準確計算SCO2真實氣體近臨界點附近非線性物性參數，國內李志剛等[24]和袁韜等[25]采用FORTRANA語言編程生成了基于NIST REFPROP物性軟件包的SCO2物性文件，供CFX調用，建立了SCO2密封泄漏特性CFD數值預測方法。圖4給出了以GE公司450 MWe SCO2透平概念機軸系結構[12]為研究對象設計的SCO2透平迷宮密封、碳環密封和干氣密封三種軸端密封方案和泄漏特性,比較了3種SCO2密封在不同運行工況和幾何參數下的封嚴性能，驗證了干氣密封和碳環密封在100 MW等級SCO2透平軸端封嚴中的有效性。

(a) 迷宮密封泄漏量隨壓比變化曲線

(b) 碳環密封泄漏量隨密封間隙變化曲線

(c) 干氣密封泄漏量隨密封間隙變化曲線

圖5至圖7給出了針對110 kW等級的離心壓氣機三種軸封設計方案和泄漏特性對比。結果表明：SCO2階梯型迷宮密封和直通孔型密封泄漏量隨背壓的減小而增大，并在背壓分別為1.0 MPa和3.0 MPa(大于110 kW SCO2壓氣機軸封運行背壓 0.1 MPa)時達到臨界值，不能承受110 kW SCO2壓氣機軸端排氣的高壓差(進口壓力12.0 MPa，出口壓力0.1 MPa)；密封間隙S= 0.1 mm時，SCO2階梯型迷宮密封和直通孔型密封臨界泄漏量分別為SCO2壓氣機總流量的2.8% 和 2.3%，均不能滿足110 kW離心壓氣機軸端封嚴的要求；干氣密封泄漏量為SCO2壓氣機總流量的0.04%～0.45%，能滿足110 kW離心壓氣機軸端封嚴的要求(泄漏量小于壓氣機流量的0.5%)[24]。

(a) 迷宮密封幾何結構

(b) 迷宮密封泄漏量隨背壓變化曲線

(a) 孔型密封幾何結構

(b) 孔型密封泄漏量隨背壓變化曲線

(a) 干氣密封幾何結構

(b) 泄漏量隨氣膜間隙變化曲線

許恒杰等[26]和鄧國強等[27]借鑒考慮慣性效應的氣體止推軸承理論，以維里三項截斷式描述CO2的實際氣體行為，同時考慮阻塞流效應和密封端面間氣膜的黏度變化，采用有限差分法分別分析了層流狀態下慣性效應對泵入式、泵出式螺旋槽干氣密封穩態性能的影響規律，并與理想氣體無慣性假設模型的計算結果進行了對比。Zhu等[28]采用基于NUMECA軟件的數值模擬的方法研究了一種SCO2交錯齒迷宮密封泄漏特性，研究表明交錯式迷宮密封封嚴性能優于直通式迷宮密封。

2.2 動力特性

國內外針對SCO2密封的研究，主要局限于SCO2迷宮密封和干氣密封的泄漏特性研究，而關于SCO2環境下的密封傳熱特性和氣動激振動力特性的研究還未有報道，缺乏相應的實驗測量平臺和數值研究方法。針對傳統工質動密封氣流激振易誘發轉子振動失穩問題，除采用先進阻尼密封(蜂窩或孔型密封、袋型密封)代替傳統迷宮密封外，工程應用中還存在多種動密封增穩抑振方法。目前主要有兩種動密封增穩抑振方法：一種是采用發散型密封間隙，使密封間隙沿流動方向逐漸增大，該方法會引起泄漏量增大，且在增大密封直接阻尼的同時會減小密封直接剛度；另一種方法是采用“反旋流”技術，即在密封進口安裝防旋板結構或采用射流引射器注入反向高速射流，減小密封進口旋流速度，甚至形成反向旋流。

在SCO2旋轉機械中，由于存在高進口預旋、高流體密度、高轉速、高靜態偏心等特殊惡劣工況，單獨采用阻尼密封(孔型或蜂窩密封、袋型密封)代替傳統迷宮密封，往往達不到完全消除轉子失穩的目的，需與“反旋流”技術等增穩抑振方法配合使用。針對干氣密封動力特性的研究表明：SCO2干氣密封靜態氣膜剛度隨氣膜厚度的增大而減小。氣膜厚度Z< 4.0 μm，干氣密封具有較大的靜態氣膜剛度，且靜態氣膜剛度隨氣膜厚度的增大而迅速減小；氣膜厚度Z> 4.0 μm, 干氣密封靜態氣膜剛度值較小，隨氣膜厚度增大緩慢減小；泄漏量隨氣膜厚度的增大而線性增大，開啟力隨氣膜厚度增大而減小。SCO2干氣密封動態氣膜剛度和氣膜阻尼均隨氣膜厚度的增大而減小。

3 結論與展望

旋轉機械動密封技術作為SCO2循環動力系統安全高效運行的關鍵核心技術，受到廣泛關注，研究人員開展了相應的設計方案、封嚴性能和運行可靠性的研究。本文介紹了SCO2循環動力系統旋轉機械動密封技術面臨的技術挑戰和研究現狀。重點介紹了不同功率等級的SCO2循環動力系統旋轉機械動密封技術封嚴性能研究進展，分析了迷宮密封、孔型密封在封嚴性能方面的局限性，驗證了碳環迷宮密封和干氣密封能夠滿足SCO2循環動力系統旋轉機械封嚴性能方面要求。期望本文的工作能為SCO2循環動力系統旋轉機械動密封技術設計研發提供參考。

SCO2運行環境下的動密封裝置仍然是一個新興技術，實際應用中面臨著諸多挑戰和亟待解決的問題，主要涉及SCO2旋轉機械的動靜間隙泄漏損失、鼓風損失、磨損失效、熱管理、氣流激振和轉子失穩等方面。高性能的SCO2密封裝置的研發和設計是SCO2透平和壓氣機設計中的一個重要環節，是保證SCO2能量循環系統高效、穩定運行的關鍵技術。后續需要開展如下課題的深入研究：

1)SCO2氣體近臨界點非常規物性計算方法和流動傳熱耦合規律。SCO2旋轉機械密封設計和性能分析研究中面臨的首要問題是SCO2工質的實際氣體近臨界點非常規物性計算方法和多場耦合流動傳熱規律。SCO2工質物性在臨界點附近嚴重偏離理想氣體且變化劇烈，呈現出強烈的非線性和未知性。受SCO2實際氣體物性影響，SCO2旋轉機械密封內非定常泄漏流動存在壓力場、速度場、溫度場、密度場的強耦合特性，以及臨界點附近的多組分非常規瞬時凝結現象。需要開展SCO2實際氣體物性的多場耦合流動傳熱規律研究。

2)SCO2動密封非定常氣流激振動力特性。SCO2旋轉機械惡劣的工作環境對動靜間隙處的動密封性能提出了更嚴苛的要求，目前常規工質旋轉機械動密封的泄漏特性、耦合傳熱特性，以及氣流激振動力特性理論模型和參數影響規律均不適用于SCO2透平機械動密封的設計和性能分析。亟須開展各類動密封結構在SCO2運行環境下的非定常泄漏特性、流熱固耦合傳熱性能、氣流激振動力特性的研究。

3)SCO2干氣密封多尺度、多物理場耦合動力學特性。SCO2旋轉機械軸端干氣密封面臨實際氣體臨界點附近非線性、非常規物性，以及非定常多相凝結流動，即實際氣體效應；面對SCO2干氣密封進出口腔室大尺度湍流和潤滑氣膜內微尺度層流或湍流耦合的挑戰，需開展干氣密封氣膜內壓力場、溫度場、速度場、黏性應力場耦合，即多尺度、多物理場耦合效應研究。

4)SCO2動密封“反旋流”增穩抑振和優化設計。傳統動密封技術達不到完全消除SCO2環境下氣流激振誘發密封碰磨失效和SCO2旋轉機械轉子失穩的目的，同時傳統干氣密封設計理論和方法無法滿足SCO2環境下潤滑氣膜靜態和動態穩定性的要求。需要建立SCO2動密封(迷宮密封和孔型密封)“反旋流”增穩抑振研究模型，以及SCO2干氣密封高效封嚴的優化設計理論，通過系統全面的實驗測量、數值模擬和理論分析研究，研發新型SCO2高效動密封技術。