超臨界二氧化碳?jí)簹鈾C(jī)熱態(tài)間隙影響研究

摘 要：本文為探究葉輪熱態(tài)間隙對(duì)超臨界二氧化碳?jí)簹鈾C(jī)性能的影響，在一個(gè)現(xiàn)有設(shè)計(jì)壓比2.5超臨界二氧化碳?jí)簹鈾C(jī)模型上，選取葉輪計(jì)算間隙0.1mm-0.3mm，通過(guò)三維流場(chǎng)計(jì)算，結(jié)果表明：隨著葉輪計(jì)算間隙增大，葉輪堵點(diǎn)流量、壓比、效率降低;葉尖低速區(qū)會(huì)形成渦，葉輪通道間的二次流增強(qiáng)。當(dāng)葉輪計(jì)算間隙從0.2mm增至0.3mm時(shí)，壓氣機(jī)堵點(diǎn)流量下降2.5%，壓比下降2.85%，效率下降3.5%。性能的衰減幅度高于常規(guī)壓氣機(jī)，因此試驗(yàn)時(shí)超臨界二氧化碳?jí)簹鈾C(jī)的熱態(tài)間隙控制需要更加精準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：超臨界CO2;壓氣機(jī)設(shè)計(jì);壓氣機(jī)間隙;氣動(dòng)性能

相對(duì)傳統(tǒng)工質(zhì)，超臨界二氧化碳（S-CO2）為工質(zhì)的動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)具有效率高、成本低、潔凈以及體積小等優(yōu)點(diǎn)，特別是二氧化碳具有臨界壓力適中、臨界溫度在環(huán)境溫度范圍內(nèi)，較好的穩(wěn)定性和核物理性質(zhì)、無(wú)毒以及儲(chǔ)量豐富等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是核反應(yīng)堆最具應(yīng)用前景的循環(huán)工質(zhì)[1]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外相繼開(kāi)展了超臨界二氧化碳發(fā)動(dòng)機(jī)的理論與試驗(yàn)研究，東京技術(shù)學(xué)院開(kāi)展了熱源為納冷快速反應(yīng)堆的S-CO2壓氣機(jī)設(shè)備的性能獲取和研究[2]。美國(guó)SANDIA實(shí)驗(yàn)室在2009-2010年開(kāi)展了輸出功率為50kw量級(jí)的發(fā)動(dòng)機(jī)驗(yàn)證性試驗(yàn)[3]，其中壓氣機(jī)的軸功率為50kw量級(jí)，但是試驗(yàn)沒(méi)有推到設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速。2012年，SANDIA進(jìn)行了輸出功率為250kw量級(jí)的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)[4]，并且在世界上首次獲得了發(fā)動(dòng)機(jī)凈循環(huán)功。

1 超臨界狀態(tài)簡(jiǎn)介

超臨界流體是指溫度及壓力均處于臨界點(diǎn)以上的流體（溫度>304.3K，壓力>7.38Mpa），氣體的物性介于氣體和液體之間，具有溶解性強(qiáng)，密度接近液體，粘性接近液體，擴(kuò)散性好的特點(diǎn)。二氧化碳進(jìn)入超臨界狀態(tài)。

在超臨界狀態(tài)時(shí)，流體滿足理想氣體物性，因此其設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)的壓氣機(jī)存在區(qū)別。

圖 1是在臨界區(qū)域附近，CO2流體密度（kg/m3）隨著溫度、壓力的變化規(guī)律（溫度單位：K，壓力單位：Mpa）。左側(cè)圖是三維關(guān)系圖，右側(cè)圖是密度在溫度-壓力二維平面的投影圖，從圖中可以明顯看出，在超臨界狀態(tài)附近，密度出現(xiàn)明顯的階躍，流體從亞臨界到超臨界，密度發(fā)生突增。

2 流場(chǎng)計(jì)算模型建立

對(duì)于超臨界壓氣機(jī)設(shè)計(jì)而言，葉輪進(jìn)口狀態(tài)會(huì)選取在流體臨界點(diǎn)附近，流體密度在壓氣機(jī)中處于300-400kg/m3的量級(jí)，相對(duì)空氣為介質(zhì)的壓氣機(jī)，其密度量級(jí)相當(dāng)大，因此其壓氣機(jī)尺寸相對(duì)于常規(guī)壓氣機(jī)將會(huì)十分緊湊，美國(guó)Sandia試驗(yàn)室加工出來(lái)的離心葉輪進(jìn)口輪轂半徑為2.5mm，出口葉片高度僅為1.7mm。本文建立的計(jì)算模型如下。

2.1計(jì)算模型

設(shè)計(jì)一個(gè)壓比2.5左右的離心級(jí)壓氣機(jī)，包含了離心葉輪與徑向擴(kuò)壓器。

2.2間隙算例選取

常規(guī)葉輪的熱態(tài)間隙一般可控制在0.2mm—0.3mm之間，考慮到超臨界二氧化碳?jí)簹鈾C(jī)尺寸更小，本文研究的葉輪計(jì)算間隙范圍取為0.10mm、0.15mm、0.20mm、0.25mm、0.3mm。

2.3 計(jì)算設(shè)置

采用CFX軟件進(jìn)行流場(chǎng)仿真計(jì)算，工質(zhì)選取符合R-K方程物性的C02氣體，為了保證計(jì)算流場(chǎng)的收斂，湍流模型采用k-e模型，精度一階，網(wǎng)格交界面選取stage模式。

3 流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果分析

壓氣機(jī)計(jì)算特性見(jiàn)圖 2。隨著間隙增大，壓氣機(jī)堵點(diǎn)流量降低，峰值壓比與峰值效率降低，特性線往左下方移動(dòng)，變化趨勢(shì)和常規(guī)壓氣機(jī)間隙增大的趨勢(shì)一致。

以葉輪間隙0.1mm算例為基準(zhǔn)，分析各算例堵點(diǎn)流量、峰值壓比變化率，以及峰值效率變化的絕對(duì)差值，結(jié)果見(jiàn)圖 3—圖 5。

從圖中可以看出，當(dāng)葉輪計(jì)算間隙從0.2mm變化到0.3mm過(guò)程中，堵點(diǎn)流量減小3%，峰值壓比減小2.5%，峰值效率減小3%，并且間隙越大，衰減幅度越明顯，因此，應(yīng)該考慮把葉輪間隙控制在0.2mm—0.25mm之內(nèi)，壓氣機(jī)特性才能保持無(wú)大的衰減。而當(dāng)間隙增大到0.3mm時(shí)，峰值效率相比0.1mm間隙，下降6%，相比常規(guī)葉輪，下降幅度更大，這是因?yàn)槌R界CO2葉輪比常規(guī)葉輪尺寸小，相同量級(jí)的葉輪間隙與葉片高度的相對(duì)比值更大，使得葉尖流場(chǎng)更加間隙泄露流更強(qiáng)。

圖 7為葉輪95%葉高blade-to-blade截面流場(chǎng)流線分布，可以看出，隨著間隙增大，流線更接近垂直穿過(guò)葉頂間隙，說(shuō)明葉尖流場(chǎng)泄露產(chǎn)生的二次流增強(qiáng)，在間隙小于0.2mm時(shí)，小葉片的壓力面和大葉片的吸力面之間存在低速區(qū)，當(dāng)間隙增時(shí)，低速區(qū)發(fā)展形成渦，并逐漸增強(qiáng)。因此，隨著葉尖間隙的增大，葉尖的流場(chǎng)趨于紊亂，損失增加。

結(jié)論

本文分析了超臨界CO2壓氣機(jī)氣體工質(zhì)，針對(duì)壓比量級(jí)2.5左右壓氣機(jī)，開(kāi)展壓氣機(jī)葉輪間隙的敏感性研究，主要得到以下結(jié)論：

（1）隨著葉輪計(jì)算間隙增大，超臨界CO2壓氣機(jī)特性呈現(xiàn)堵點(diǎn)流量降低，壓比降低，效率降低，趨勢(shì)上與常規(guī)離心葉輪的變化一致;

（2）隨著葉輪間隙的增大，葉輪小葉片壓力面到大葉片吸力面之間由低速區(qū)逐漸發(fā)展形成渦，流線更接近垂直穿過(guò)葉頂間隙，葉尖流場(chǎng)二次流增強(qiáng)。導(dǎo)致了葉尖流場(chǎng)的惡化。

（3）當(dāng)葉輪計(jì)算間隙從0.1mm增加至0.3mm時(shí)，堵點(diǎn)流量下降5%，峰值壓比下降5.7%，峰值效率絕對(duì)值下降6%;當(dāng)葉輪計(jì)算間隙從0.2mm增至0.3mm時(shí)，壓氣機(jī)堵點(diǎn)流量下降2.5%，壓比下降2.85%，效率下降3.5%。下降的幅度大于常規(guī)葉輪。這是由于超臨界CO2葉輪尺寸小，間隙所占通道比例大，增強(qiáng)了葉尖二次流效應(yīng)。因此建議試驗(yàn)葉輪熱態(tài)間隙控制在0.25mm以?xún)?nèi)，性能參數(shù)衰減小于5%。

參考文獻(xiàn)：

[1] 2016，《熱力透平》，西安交通大學(xué)，豐鎮(zhèn)平，超臨界二氧化碳動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)及關(guān)鍵部件研究進(jìn)展。

[2] Masanori ARITOMI， et al.， 2011， Journal of power and energy systems， Vol. 5， No. 1， 2011.

[3] Steven A. Wright， Ross F. Radel， Operation and Analysis of a Supercritical CO2 Brayton Cycle， Sandia report， 2010-0171.

[4] Jim Pasch， Tom Conboy， Darryn Fleming， and Gary Rochau， Supercritical CO2 Recompression Brayton Cycle： Completed Assembly Description， SAND2012-9546.

[5] Hang ZHAO， Qinghua DENG，et al. Numerical Investigation On The Flow Characteristics Of A Supercritical CO2 Centrifugal Compressor， Proceedings of ASME Turbo Expo 2014， GT2014-26646.

作者簡(jiǎn)介：

徐威陽(yáng)（1988-），男，漢族，湖南株洲人，碩士研究生，工程師，研究方向：壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)。