超臨界二氧化碳旋轉(zhuǎn)機(jī)械動(dòng)密封技術(shù)研究進(jìn)展

李志剛，袁 韜，方 志，李 軍(1.西安交通大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院 葉輪機(jī)械研究所， 西安 710049；2.陜西省葉輪機(jī)械及動(dòng)力裝備工程實(shí)驗(yàn)室， 西安 710049)

超臨界二氧化碳(Supercritical Carbon-Dioxide，SCO2)閉式布雷頓循環(huán)系統(tǒng)是以SCO2工質(zhì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械(透平、壓氣機(jī)或泵)和換熱器為核心部件，以SCO2為工作介質(zhì)的能量循環(huán)系統(tǒng)，被認(rèn)為是目前最具應(yīng)用前景的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)之一[1]。相比于傳統(tǒng)燃?xì)廨啓C(jī)布雷頓循環(huán)、氦透平和蒸汽透平朗肯循環(huán)，SCO2發(fā)電循環(huán)系統(tǒng)和動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)具有循環(huán)效率高、循環(huán)布局簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊、系統(tǒng)組件數(shù)量少和尺寸小的優(yōu)點(diǎn)[2-3]。SCO2工質(zhì)透平、壓氣機(jī)或泵等旋轉(zhuǎn)機(jī)械作為循環(huán)系統(tǒng)的核心動(dòng)力部件，其運(yùn)行性能對(duì)系統(tǒng)循環(huán)效率具有決定性影響。作為旋轉(zhuǎn)機(jī)械的關(guān)鍵部件，動(dòng)密封技術(shù)控制著旋轉(zhuǎn)機(jī)械中動(dòng)靜間隙處工質(zhì)的泄漏流動(dòng)，且存在顯著的非定常氣流激振力，對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械能量轉(zhuǎn)換效率和運(yùn)行穩(wěn)定性具有顯著影響[4]。SCO2循環(huán)動(dòng)力系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的動(dòng)密封技術(shù)是實(shí)現(xiàn)SCO2循環(huán)工業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵核心技術(shù)之一，國(guó)內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)針對(duì)動(dòng)密封技術(shù)方案設(shè)計(jì)和封嚴(yán)性能開(kāi)展了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量、數(shù)值模擬和理論分析研究，為SCO2循環(huán)動(dòng)力系統(tǒng)的安全高效運(yùn)行提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

1 SCO2循環(huán)旋轉(zhuǎn)機(jī)械動(dòng)密封技術(shù)及挑戰(zhàn)

由于SCO2流體密度高的物性，SCO2旋轉(zhuǎn)機(jī)械具有能量密度高、尺寸小的特點(diǎn)，一般運(yùn)行在極高轉(zhuǎn)速下，尤其是小功率等級(jí)(功率低于 3 MW)的機(jī)組，轉(zhuǎn)速更高。目前，國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)已開(kāi)展了10 kW ～1 000 MW 功率等級(jí)的SCO2布雷頓循環(huán)系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械動(dòng)力部件的性能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)或方案設(shè)計(jì)研究[1,3]。圖1 給出了目前國(guó)內(nèi)外SCO2旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)速、功率的匹配[3]。目前1 MW以下(10 kW～1 MW)的SCO2旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速高達(dá)75 000 r/min，SCO2動(dòng)力裝置采用透平-發(fā)電機(jī)-壓氣機(jī)(TAC)同軸單腔整體布置方案。7～50 MW SCO2旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為10 000～50 000 r/min，SCO2動(dòng)力裝置多采用齒輪箱連接透平、壓氣機(jī)、發(fā)電機(jī)的布置方案；100 MW以上(100～1 000 MW)的SCO2旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速可降至與發(fā)電蒸汽輪機(jī)相同的量級(jí)，即3 000 r/min或3 600 r/min。SCO2動(dòng)力裝置多采用透平同軸直接驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)和發(fā)電機(jī)的布置方案。圖2給出了不同功率等級(jí)的SCO2透平、壓氣機(jī)級(jí)軸端動(dòng)密封的設(shè)計(jì)方案建議。目前所有功率等級(jí)的SCO2壓氣機(jī)均采用單級(jí)或多級(jí)離心壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)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(dòng)力裝置布置方案和透平、壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)形式(軸流、徑流)對(duì)軸端動(dòng)靜間隙動(dòng)密封性能具有不同的要求，需采用不同的SCO2軸端動(dòng)密封方案。目前常用的動(dòng)密封方案為先進(jìn)迷宮密封(可磨損靜子件)和干氣密封。

圖1 SCO2透平、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速與功率等級(jí)[3]

圖2 不同功率等級(jí)SCO2透平、壓縮機(jī)及軸封方案 [1,3]

1.1 小功率等級(jí)SCO2循環(huán)旋轉(zhuǎn)機(jī)械密封技術(shù)

表1列出了國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中SCO2布雷頓循環(huán)系統(tǒng)動(dòng)力裝置性能參數(shù)和動(dòng)密封方案。國(guó)內(nèi)外對(duì)SCO2透平、壓氣機(jī)部件性能試驗(yàn)測(cè)試和示范循環(huán)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究主要針對(duì)小功率(10 kW ～10 MW)核動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)和太陽(yáng)能熱發(fā)電循環(huán)系統(tǒng)[1,3]。而大功率(100 MW級(jí))燃煤和天然氣SCO2發(fā)電循環(huán)系統(tǒng)中透平和壓氣機(jī)部件的研究還處在初步的概念設(shè)計(jì)階段。由于SCO2具有很大的能量密度，小功率SCO2透平和壓氣機(jī)具有高壓差、小尺寸、小流量、高轉(zhuǎn)速的特點(diǎn)(SANDIA 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的125 kW的透平葉輪直徑僅4～7 cm，轉(zhuǎn)速高達(dá)75 000 r/min)[5-8]。為減小軸端泄漏損失，1 MW以下的SCO2動(dòng)力裝置一般采用透平、壓氣機(jī)、發(fā)電機(jī)、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(gè)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(zhuǎn)子，不需要采用軸端密封對(duì)透平 / 壓氣機(jī)軸端排氣與軸承腔或大氣環(huán)境進(jìn)行隔離，但為避免高密度SCO2流體在發(fā)電機(jī)腔室內(nèi)產(chǎn)生較大的鼓風(fēng)損失，仍需采用動(dòng)密封使系統(tǒng)形成一個(gè)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(rùn)滑和冷卻問(wèn)題，同時(shí)減小鼓風(fēng)損失。受小尺寸、高轉(zhuǎn)速的限制，市場(chǎng)上未有滿足要求的干氣密封產(chǎn)品(市場(chǎng)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(jī)均采用先進(jìn)迷宮密封(采用浮動(dòng)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(fēng)損失嚴(yán)重等問(wèn)題，采用TAC方案的SCO2動(dòng)力裝置的輸出功率僅為設(shè)計(jì)功率的10% ～40%，循環(huán)效率很低。

表1 國(guó)內(nèi)外主要SCO2布雷頓循環(huán)系統(tǒng)動(dòng)力裝置性能參數(shù)和動(dòng)密封方案[1, 7-12]

圖3 SANDIA 實(shí)驗(yàn)室125 kW SCO2透平、壓氣機(jī)部件示意圖[5]

SANDIA國(guó)家實(shí)驗(yàn)室針對(duì)125 kW SCO2透平及壓氣機(jī)的動(dòng)力部件性能開(kāi)展了大量實(shí)驗(yàn)研究[5]，并對(duì)不同動(dòng)密封結(jié)構(gòu)(至少16種迷宮密封結(jié)構(gòu))的封嚴(yán)性能、運(yùn)行壽命進(jìn)了測(cè)量。表2給出了SANDIA國(guó)家實(shí)驗(yàn)室125 kW SCO2動(dòng)力裝置軸端密封方案的設(shè)計(jì)歷程。研究結(jié)果表明[13-14]：采用普通迷宮密封時(shí)，SCO2動(dòng)力裝置透平和壓氣機(jī)軸端泄漏量偏大，發(fā)電機(jī)腔室壓力大，鼓風(fēng)損失嚴(yán)重，無(wú)有效功輸出，且密封件磨損嚴(yán)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(zhuǎn)子件)，解決了泄漏量大的問(wèn)題，但密封件磨損失效問(wèn)題依然嚴(yán)重；進(jìn)一步將密封件更換為浮動(dòng)靜環(huán)可磨損迷宮密封(浮動(dòng)可磨損密封靜子件+高低齒轉(zhuǎn)子件)后，泄漏量和發(fā)電機(jī)腔室壓力均進(jìn)一步減小，運(yùn)行轉(zhuǎn)速進(jìn)一步提高，但由于氣流激振誘發(fā)轉(zhuǎn)子振動(dòng)失穩(wěn)，轉(zhuǎn)速和功率均未達(dá)到設(shè)計(jì)值。SANDIA 研究團(tuán)隊(duì)指出：小功率SCO2動(dòng)力裝置(透平、壓氣機(jī))動(dòng)靜間隙存在著嚴(yán)重的工質(zhì)泄漏、鼓風(fēng)損失、動(dòng)靜碰磨、氣流激振等問(wèn)題，這對(duì)動(dòng)密封的性能提出了更嚴(yán)苛的要求，常規(guī)旋轉(zhuǎn)機(jī)械密封的設(shè)計(jì)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(jī)的封嚴(yán)和轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定需要。此外，SCO2壓氣機(jī)軸端密封還存在SCO2多相凝結(jié)和干冰問(wèn)題，SCO2透平軸端密封存在高溫腐蝕問(wèn)題。

表2 美國(guó)SANDIA 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室125 kW SO2 動(dòng)力裝置軸封研發(fā)歷程[13-14]

1.2 大功率等級(jí)SCO2循環(huán)旋轉(zhuǎn)機(jī)械密封技術(shù)

大功率(大于10 MW)SCO2發(fā)電循環(huán)系統(tǒng)中透平和壓氣機(jī)部件的研究還處在初步的概念設(shè)計(jì)階段。如表1所示，10 MW以上的發(fā)電透平和壓氣機(jī)均采用透平、壓氣機(jī)分缸，油潤(rùn)滑軸承支承的單軸多級(jí)離心壓氣機(jī)和軸流透平的設(shè)計(jì)方案[1,3,12]。該方案需采用軸端密封裝置使透平和壓氣機(jī)的高壓、高溫的軸端排氣與軸承及大氣環(huán)境隔離。大功率SCO2燃煤發(fā)電系統(tǒng)的透平(進(jìn)口參數(shù)：20 ～30 MPa、 680 ℃)排氣具有高溫(500～600 ℃)、高壓(6.5～7.0 MPa)的特點(diǎn)，屬于高能流體，必須采用高性能的軸端密封技術(shù)控制SCO2透平軸端泄漏[15-16]。在燃?xì)廨啓C(jī)開(kāi)式布雷頓發(fā)電循環(huán)系統(tǒng)中，透平軸端排氣壓力接近大氣壓，傳統(tǒng)迷宮密封、蜂窩密封和刷式密封能夠滿足封嚴(yán)要求。在蒸汽透平閉式朗肯發(fā)電循環(huán)系統(tǒng)中，透平軸端泄漏的蒸汽能夠凝結(jié)成液態(tài)，并被給水泵回收進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)中，不存在做功工質(zhì)的循環(huán)損失。然而在SCO2發(fā)電循環(huán)系統(tǒng)中，由于大氣壓力低于CO2三相點(diǎn)壓力，透平軸端泄漏工質(zhì)只能以氣體狀態(tài)由輔助壓縮系統(tǒng)(一般由間冷離心壓氣機(jī)承擔(dān))從大氣壓(0.1 MPa)壓縮至壓氣機(jī)進(jìn)口壓力(6.8 MPa左右)。因此，SCO2透平軸端泄漏工質(zhì)不僅造成工質(zhì)有效熱能損失，還將導(dǎo)致輔助壓縮功耗增加，致使循環(huán)效率降低，以及工質(zhì)侵入軸承潤(rùn)滑油，污染潤(rùn)滑系統(tǒng)。因此必須采用高性能密封技術(shù)達(dá)到近似零泄漏的封嚴(yán)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(guó)內(nèi)外部分廠家干氣密封參數(shù)范圍[17]。市場(chǎng)上已有的干氣密封產(chǎn)品不能滿足大功率(大于100 MW)SCO2透平和壓氣機(jī)軸端在高溫度(透平排氣溫度400～600 ℃)、大軸徑(300～600 mm)等運(yùn)行參數(shù)下的封嚴(yán)要求。而且SCO2干氣密封運(yùn)行中還面臨SCO2實(shí)際氣體臨界點(diǎn)附近非線性物性、多相凝結(jié)流動(dòng)和端面摩擦、高溫腐蝕等特殊問(wèn)題。SCO2透平及壓氣機(jī)軸端干氣密封進(jìn)口壓力一般為7.8～20 MPa，位于臨界點(diǎn)以上，而出口壓力為0.1 MPa，工作壓力跨過(guò)了臨界壓力，因此必須考慮SCO2實(shí)際氣體臨界點(diǎn)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(jìn)口溫度一般應(yīng)小于177 ℃)，需設(shè)計(jì)熱管理系統(tǒng)對(duì)SCO2透平軸端排氣進(jìn)行冷卻，因此需考慮干氣密封進(jìn)口溫度對(duì)密封性能的影響。此外，SCO2壓氣機(jī)或透平啟動(dòng)過(guò)程中，軸端干氣密封進(jìn)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(jié)流動(dòng)，甚至出現(xiàn)干冰，對(duì)潤(rùn)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(tǒng)將密封氣體加熱至80～100 ℃，避免多相凝結(jié)流動(dòng)和干冰的出現(xiàn)，因此需考慮間隙多相凝結(jié)流動(dòng)對(duì)干氣密封性能影響，以及干氣密封進(jìn)口極限溫度。SCO2透平及壓氣機(jī)啟停機(jī)、變工況過(guò)程中干氣密封運(yùn)行工況變化劇烈，需考慮SCO2干氣密封非穩(wěn)態(tài)動(dòng)力學(xué)特性(氣膜動(dòng)態(tài)剛度和阻尼特性)。

表3 國(guó)內(nèi)外部分廠家干氣密封參數(shù)范圍[17]

大功率(大于10 MW)SCO2動(dòng)力裝置一般采用多級(jí)離心式壓氣機(jī)和多級(jí)軸流式透平的設(shè)計(jì)方案，除軸端密封外，還存在級(jí)間密封、葉頂密封、平衡螺栓密封、輪蓋密封等動(dòng)密封結(jié)構(gòu)[3, 13-14]。相比于軸端密封，雖然此類密封結(jié)構(gòu)處的進(jìn)出口壓比較小，泄漏問(wèn)題并不十分突出，但此類密封位于轉(zhuǎn)子中部，其安裝位置往往是轉(zhuǎn)子渦動(dòng)振型的波峰和波谷點(diǎn)，此處具有較大的振動(dòng)幅值，具有較大的密封氣流激振力，對(duì)軸系穩(wěn)定性影響更為顯著。此外，葉頂、級(jí)間密封泄漏會(huì)對(duì)主流產(chǎn)生擾動(dòng)，造成較大的通流損失。研究表明：密封氣流激振力與密封進(jìn)口壓力、工質(zhì)密度成正比；密封腔室內(nèi)較大的周向旋流誘發(fā)的交叉氣流力是誘發(fā)旋轉(zhuǎn)機(jī)械失穩(wěn)的主要原因。相比于空氣、燃?xì)?、蒸汽等傳統(tǒng)工質(zhì)，SCO2具有高壓力、高密度(水的密度的40%～60%)，以及臨界點(diǎn)附近強(qiáng)烈非線性物性的特點(diǎn)，而且SCO2透平、壓氣機(jī)具有高能量密度、高轉(zhuǎn)速的特點(diǎn)，級(jí)間密封和平衡螺栓密封進(jìn)口存在顯著的周向旋流。因此，SCO2透平、壓氣機(jī)面臨嚴(yán)重的密封氣流激振力誘發(fā)的軸系失穩(wěn)問(wèn)題。目前大功率(大于10 MW)SCO2動(dòng)力裝置設(shè)計(jì)方案中常采用帶有進(jìn)口防旋板的迷宮密封和孔型密封作為透平及壓氣機(jī)的級(jí)間、葉頂和平衡螺栓密封方案。

2 SCO2循環(huán)旋轉(zhuǎn)機(jī)械密封技術(shù)性能研究

SCO2旋轉(zhuǎn)機(jī)械具有高壓、高溫、高轉(zhuǎn)速、小尺寸和高能量密度等特點(diǎn)，面臨著嚴(yán)重的動(dòng)靜間隙泄漏損失和鼓風(fēng)損失、多相凝結(jié)流動(dòng)、動(dòng)靜碰磨、高溫腐蝕以及氣流激振誘發(fā)轉(zhuǎn)子失穩(wěn)等問(wèn)題。

2.1 泄漏特性

限于復(fù)雜苛刻的實(shí)驗(yàn)條件(高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速)和嚴(yán)重偏離理想氣體物性特征的工質(zhì)物性，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法和數(shù)值預(yù)測(cè)方法的有效性受到了挑戰(zhàn)，目前對(duì)動(dòng)密封在SCO2運(yùn)行環(huán)境下的泄漏特性的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究較少。美國(guó)SANDIA國(guó)家實(shí)驗(yàn)室[13-14]在125 kW SCO2透平和壓氣機(jī)部件性能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，對(duì)至少16種迷宮密封方案的封嚴(yán)性能進(jìn)行了考核，最終確定具有浮動(dòng)可磨損靜環(huán)的階梯型迷宮密封的封嚴(yán)性能和耐磨損性能最佳。Yuan等[18]采用實(shí)驗(yàn)測(cè)量和數(shù)值模擬的方法研究了在進(jìn)口壓力10 MPa，轉(zhuǎn)速為0 r/min下，壓比為1.1～3.0范圍內(nèi)，直通型迷宮密封在SCO2運(yùn)行環(huán)境中的泄漏特性，并采用基于OpenForm開(kāi)源軟件的CFD數(shù)值模擬方法研究了壓比、密封齒數(shù)、腔室深度、密封間隙對(duì)SCO2迷宮密封泄漏量的影響。比較了CFD方法和基于傳統(tǒng)迷宮密封泄漏量計(jì)算公式的理論分析方法的預(yù)測(cè)精度。研究表明：由于SCO2臨界點(diǎn)附近非線性物性的影響，傳統(tǒng)迷宮密封泄漏量計(jì)算公式存在較大的預(yù)測(cè)誤差。Fairuz等[19]采用數(shù)值方法研究了進(jìn)口壓力為4.6 MPa和8.5 MPa下，工質(zhì)物性(空氣、CO2理想氣體、CO2真實(shí)氣體)對(duì)干氣密封泄漏量預(yù)測(cè)精度的影響。研究表明：在臨界點(diǎn)附近，SCO2物性與理想氣體、空氣存在較大的差異，這對(duì)泄漏量預(yù)測(cè)精度影響顯著；在SCO2動(dòng)密封泄漏量計(jì)算中需考慮SCO2真實(shí)氣體物性的影響。

GE公司的研究人員針對(duì)SCO2透平、壓氣機(jī)軸端干氣密封封嚴(yán)性能開(kāi)展了較深入的方案設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)測(cè)量和數(shù)值研究。GE 公司的Bidkar等[12]完成了450 MWe SCO2一次再熱發(fā)電循環(huán)系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)，以及450 MWe SCO2透平和壓氣機(jī)的概念設(shè)計(jì)，其中透平采用單缸雙排氣、一次再熱多級(jí)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(duì)循環(huán)效率的影響。研究表明：采用傳統(tǒng)的迷宮密封，軸端泄漏量占透平總工質(zhì)流量的0.3%～0.45%，相比于不考慮軸端泄漏損失情況，循環(huán)效率降低了0.55%～0.65%。采用干氣密封代替?zhèn)鹘y(tǒng)迷宮密封可使450 MWe SCO2循環(huán)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(chǎng)分析模型，對(duì)10 MW SCO2透平軸端干氣密封泄漏特性、結(jié)構(gòu)應(yīng)力、靜力和動(dòng)力特性進(jìn)行了分析，并采用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)量了SCO2在臨界點(diǎn)附近的多相凝結(jié)流動(dòng)特性。研究表明：由于SCO2臨界點(diǎn)附近的非線性物性，特別是工質(zhì)密度的劇烈變化，SCO2干氣密封潤(rùn)滑氣膜內(nèi)存在多相凝結(jié)流動(dòng)、阻塞流動(dòng)、超聲速流動(dòng)等復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象，進(jìn)而引起干氣密封氣膜剛度、阻尼的劇烈波動(dòng)，最終將引發(fā)干氣密封的碰磨失效。GE公司的Trivedi等[21]搭建了零轉(zhuǎn)速的靜止SCO2干氣密封實(shí)驗(yàn)臺(tái)(實(shí)驗(yàn)中工質(zhì)是7.6 MPa的壓縮空氣)，測(cè)量了氣膜厚度、壓比、轉(zhuǎn)靜端面結(jié)構(gòu)對(duì)干氣密封氣膜剛度的影響規(guī)律。

美國(guó)西南研究院的Rimpel等[22]針對(duì)100 MW等級(jí)SCO2動(dòng)力裝置干氣密封設(shè)計(jì)研發(fā)，正在搭建全尺寸SCO2干氣密封實(shí)驗(yàn)臺(tái)(密封直徑600 mm，轉(zhuǎn)速3 600 r/min，溫度200 ℃，進(jìn)口壓力7.5 MPa)，驗(yàn)證大軸徑SCO2干氣密封的封嚴(yán)性能。Bennett 等[23]介紹了Virginia大學(xué)的正在搭建的針對(duì)SCO2迷宮密封和孔型密封泄漏特性研究的實(shí)驗(yàn)臺(tái)。

為準(zhǔn)確計(jì)算SCO2真實(shí)氣體近臨界點(diǎn)附近非線性物性參數(shù)，國(guó)內(nèi)李志剛等[24]和袁韜等[25]采用FORTRANA語(yǔ)言編程生成了基于NIST REFPROP物性軟件包的SCO2物性文件，供CFX調(diào)用，建立了SCO2密封泄漏特性CFD數(shù)值預(yù)測(cè)方法。圖4給出了以GE公司450 MWe SCO2透平概念機(jī)軸系結(jié)構(gòu)[12]為研究對(duì)象設(shè)計(jì)的SCO2透平迷宮密封、碳環(huán)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(yùn)行工況和幾何參數(shù)下的封嚴(yán)性能，驗(yàn)證了干氣密封和碳環(huán)密封在100 MW等級(jí)SCO2透平軸端封嚴(yán)中的有效性。

(a) 迷宮密封泄漏量隨壓比變化曲線

(b) 碳環(huán)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(duì)110 kW等級(jí)的離心壓氣機(jī)三種軸封設(shè)計(jì)方案和泄漏特性對(duì)比。結(jié)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(jī)軸封運(yùn)行背壓 0.1 MPa)時(shí)達(dá)到臨界值，不能承受110 kW SCO2壓氣機(jī)軸端排氣的高壓差(進(jìn)口壓力12.0 MPa，出口壓力0.1 MPa)；密封間隙S= 0.1 mm時(shí)，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(jī)總流量的2.8% 和 2.3%，均不能滿足110 kW離心壓氣機(jī)軸端封嚴(yán)的要求；干氣密封泄漏量為SCO2壓氣機(jī)總流量的0.04%～0.45%，能滿足110 kW離心壓氣機(jī)軸端封嚴(yán)的要求(泄漏量小于壓氣機(jī)流量的0.5%)[24]。

(a) 迷宮密封幾何結(jié)構(gòu)

(b) 迷宮密封泄漏量隨背壓變化曲線

(a) 孔型密封幾何結(jié)構(gòu)

(b) 孔型密封泄漏量隨背壓變化曲線

(a) 干氣密封幾何結(jié)構(gòu)

(b) 泄漏量隨氣膜間隙變化曲線

許恒杰等[26]和鄧國(guó)強(qiáng)等[27]借鑒考慮慣性效應(yīng)的氣體止推軸承理論，以維里三項(xiàng)截?cái)嗍矫枋鯟O2的實(shí)際氣體行為，同時(shí)考慮阻塞流效應(yīng)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(tài)下慣性效應(yīng)對(duì)泵入式、泵出式螺旋槽干氣密封穩(wěn)態(tài)性能的影響規(guī)律，并與理想氣體無(wú)慣性假設(shè)模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。Zhu等[28]采用基于NUMECA軟件的數(shù)值模擬的方法研究了一種SCO2交錯(cuò)齒迷宮密封泄漏特性，研究表明交錯(cuò)式迷宮密封封嚴(yán)性能優(yōu)于直通式迷宮密封。

2.2 動(dòng)力特性

國(guó)內(nèi)外針對(duì)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(guān)于SCO2環(huán)境下的密封傳熱特性和氣動(dòng)激振動(dòng)力特性的研究還未有報(bào)道，缺乏相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量平臺(tái)和數(shù)值研究方法。針對(duì)傳統(tǒng)工質(zhì)動(dòng)密封氣流激振易誘發(fā)轉(zhuǎn)子振動(dòng)失穩(wěn)問(wèn)題，除采用先進(jìn)阻尼密封(蜂窩或孔型密封、袋型密封)代替?zhèn)鹘y(tǒng)迷宮密封外，工程應(yīng)用中還存在多種動(dòng)密封增穩(wěn)抑振方法。目前主要有兩種動(dòng)密封增穩(wěn)抑振方法：一種是采用發(fā)散型密封間隙，使密封間隙沿流動(dòng)方向逐漸增大，該方法會(huì)引起泄漏量增大，且在增大密封直接阻尼的同時(shí)會(huì)減小密封直接剛度；另一種方法是采用“反旋流”技術(shù)，即在密封進(jìn)口安裝防旋板結(jié)構(gòu)或采用射流引射器注入反向高速射流，減小密封進(jìn)口旋流速度，甚至形成反向旋流。

在SCO2旋轉(zhuǎn)機(jī)械中，由于存在高進(jìn)口預(yù)旋、高流體密度、高轉(zhuǎn)速、高靜態(tài)偏心等特殊惡劣工況，單獨(dú)采用阻尼密封(孔型或蜂窩密封、袋型密封)代替?zhèn)鹘y(tǒng)迷宮密封，往往達(dá)不到完全消除轉(zhuǎn)子失穩(wěn)的目的，需與“反旋流”技術(shù)等增穩(wěn)抑振方法配合使用。針對(duì)干氣密封動(dòng)力特性的研究表明：SCO2干氣密封靜態(tài)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(tài)氣膜剛度，且靜態(tài)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(tài)氣膜剛度值較小，隨氣膜厚度增大緩慢減??；泄漏量隨氣膜厚度的增大而線性增大，開(kāi)啟力隨氣膜厚度增大而減小。SCO2干氣密封動(dòng)態(tài)氣膜剛度和氣膜阻尼均隨氣膜厚度的增大而減小。

3 結(jié)論與展望

旋轉(zhuǎn)機(jī)械動(dòng)密封技術(shù)作為SCO2循環(huán)動(dòng)力系統(tǒng)安全高效運(yùn)行的關(guān)鍵核心技術(shù)，受到廣泛關(guān)注，研究人員開(kāi)展了相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案、封嚴(yán)性能和運(yùn)行可靠性的研究。本文介紹了SCO2循環(huán)動(dòng)力系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)機(jī)械動(dòng)密封技術(shù)面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)和研究現(xiàn)狀。重點(diǎn)介紹了不同功率等級(jí)的SCO2循環(huán)動(dòng)力系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)機(jī)械動(dòng)密封技術(shù)封嚴(yán)性能研究進(jìn)展，分析了迷宮密封、孔型密封在封嚴(yán)性能方面的局限性，驗(yàn)證了碳環(huán)迷宮密封和干氣密封能夠滿足SCO2循環(huán)動(dòng)力系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)機(jī)械封嚴(yán)性能方面要求。期望本文的工作能為SCO2循環(huán)動(dòng)力系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)機(jī)械動(dòng)密封技術(shù)設(shè)計(jì)研發(fā)提供參考。

SCO2運(yùn)行環(huán)境下的動(dòng)密封裝置仍然是一個(gè)新興技術(shù)，實(shí)際應(yīng)用中面臨著諸多挑戰(zhàn)和亟待解決的問(wèn)題，主要涉及SCO2旋轉(zhuǎn)機(jī)械的動(dòng)靜間隙泄漏損失、鼓風(fēng)損失、磨損失效、熱管理、氣流激振和轉(zhuǎn)子失穩(wěn)等方面。高性能的SCO2密封裝置的研發(fā)和設(shè)計(jì)是SCO2透平和壓氣機(jī)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，是保證SCO2能量循環(huán)系統(tǒng)高效、穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)。后續(xù)需要開(kāi)展如下課題的深入研究：

1)SCO2氣體近臨界點(diǎn)非常規(guī)物性計(jì)算方法和流動(dòng)傳熱耦合規(guī)律。SCO2旋轉(zhuǎn)機(jī)械密封設(shè)計(jì)和性能分析研究中面臨的首要問(wèn)題是SCO2工質(zhì)的實(shí)際氣體近臨界點(diǎn)非常規(guī)物性計(jì)算方法和多場(chǎng)耦合流動(dòng)傳熱規(guī)律。SCO2工質(zhì)物性在臨界點(diǎn)附近嚴(yán)重偏離理想氣體且變化劇烈，呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的非線性和未知性。受SCO2實(shí)際氣體物性影響，SCO2旋轉(zhuǎn)機(jī)械密封內(nèi)非定常泄漏流動(dòng)存在壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、密度場(chǎng)的強(qiáng)耦合特性，以及臨界點(diǎn)附近的多組分非常規(guī)瞬時(shí)凝結(jié)現(xiàn)象。需要開(kāi)展SCO2實(shí)際氣體物性的多場(chǎng)耦合流動(dòng)傳熱規(guī)律研究。

2)SCO2動(dòng)密封非定常氣流激振動(dòng)力特性。SCO2旋轉(zhuǎn)機(jī)械惡劣的工作環(huán)境對(duì)動(dòng)靜間隙處的動(dòng)密封性能提出了更嚴(yán)苛的要求，目前常規(guī)工質(zhì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械動(dòng)密封的泄漏特性、耦合傳熱特性，以及氣流激振動(dòng)力特性理論模型和參數(shù)影響規(guī)律均不適用于SCO2透平機(jī)械動(dòng)密封的設(shè)計(jì)和性能分析。亟須開(kāi)展各類動(dòng)密封結(jié)構(gòu)在SCO2運(yùn)行環(huán)境下的非定常泄漏特性、流熱固耦合傳熱性能、氣流激振動(dòng)力特性的研究。

3)SCO2干氣密封多尺度、多物理場(chǎng)耦合動(dòng)力學(xué)特性。SCO2旋轉(zhuǎn)機(jī)械軸端干氣密封面臨實(shí)際氣體臨界點(diǎn)附近非線性、非常規(guī)物性，以及非定常多相凝結(jié)流動(dòng)，即實(shí)際氣體效應(yīng)；面對(duì)SCO2干氣密封進(jìn)出口腔室大尺度湍流和潤(rùn)滑氣膜內(nèi)微尺度層流或湍流耦合的挑戰(zhàn)，需開(kāi)展干氣密封氣膜內(nèi)壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)、黏性應(yīng)力場(chǎng)耦合，即多尺度、多物理場(chǎng)耦合效應(yīng)研究。

4)SCO2動(dòng)密封“反旋流”增穩(wěn)抑振和優(yōu)化設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)動(dòng)密封技術(shù)達(dá)不到完全消除SCO2環(huán)境下氣流激振誘發(fā)密封碰磨失效和SCO2旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)子失穩(wěn)的目的，同時(shí)傳統(tǒng)干氣密封設(shè)計(jì)理論和方法無(wú)法滿足SCO2環(huán)境下潤(rùn)滑氣膜靜態(tài)和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的要求。需要建立SCO2動(dòng)密封(迷宮密封和孔型密封)“反旋流”增穩(wěn)抑振研究模型，以及SCO2干氣密封高效封嚴(yán)的優(yōu)化設(shè)計(jì)理論，通過(guò)系統(tǒng)全面的實(shí)驗(yàn)測(cè)量、數(shù)值模擬和理論分析研究，研發(fā)新型SCO2高效動(dòng)密封技術(shù)。