超臨界二氧化碳壓氣機熱態(tài)間隙影響研究

摘 要：本文為探究葉輪熱態(tài)間隙對超臨界二氧化碳壓氣機性能的影響，在一個現(xiàn)有設(shè)計壓比2.5超臨界二氧化碳壓氣機模型上，選取葉輪計算間隙0.1mm-0.3mm，通過三維流場計算，結(jié)果表明：隨著葉輪計算間隙增大，葉輪堵點流量、壓比、效率降低;葉尖低速區(qū)會形成渦，葉輪通道間的二次流增強。當(dāng)葉輪計算間隙從0.2mm增至0.3mm時，壓氣機堵點流量下降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，因此試驗時超臨界二氧化碳壓氣機的熱態(tài)間隙控制需要更加精準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：超臨界CO2;壓氣機設(shè)計;壓氣機間隙;氣動性能

相對傳統(tǒng)工質(zhì)，超臨界二氧化碳（S-CO2）為工質(zhì)的動力循環(huán)系統(tǒng)具有效率高、成本低、潔凈以及體積小等優(yōu)點，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)、無毒以及儲量豐富等優(yōu)點，被認為是核反應(yīng)堆最具應(yīng)用前景的循環(huán)工質(zhì)[1]。

近年來，國內(nèi)外相繼開展了超臨界二氧化碳發(fā)動機的理論與試驗研究，東京技術(shù)學(xué)院開展了熱源為納冷快速反應(yīng)堆的S-CO2壓氣機設(shè)備的性能獲取和研究[2]。美國SANDIA實驗室在2009-2010年開展了輸出功率為50kw量級的發(fā)動機驗證性試驗[3]，其中壓氣機的軸功率為50kw量級，但是試驗沒有推到設(shè)計轉(zhuǎn)速。2012年，SANDIA進行了輸出功率為250kw量級的發(fā)動機試驗[4]，并且在世界上首次獲得了發(fā)動機凈循環(huán)功。

1 超臨界狀態(tài)簡介

超臨界流體是指溫度及壓力均處于臨界點以上的流體（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，密度接近液體，粘性接近液體，擴散性好的特點。二氧化碳進入超臨界狀態(tài)。

在超臨界狀態(tài)時，流體滿足理想氣體物性，因此其設(shè)計方法與傳統(tǒng)的壓氣機存在區(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 流場計算模型建立

對于超臨界壓氣機設(shè)計而言，葉輪進口狀態(tài)會選取在流體臨界點附近，流體密度在壓氣機中處于300-400kg/m3的量級，相對空氣為介質(zhì)的壓氣機，其密度量級相當(dāng)大，因此其壓氣機尺寸相對于常規(guī)壓氣機將會十分緊湊，美國Sandia試驗室加工出來的離心葉輪進口輪轂半徑為2.5mm，出口葉片高度僅為1.7mm。本文建立的計算模型如下。

2.1計算模型

設(shè)計一個壓比2.5左右的離心級壓氣機，包含了離心葉輪與徑向擴壓器。

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壓氣機尺寸更小，本文研究的葉輪計算間隙范圍取為0.10mm、0.15mm、0.20mm、0.25mm、0.3mm。

2.3 計算設(shè)置

采用CFX軟件進行流場仿真計算，工質(zhì)選取符合R-K方程物性的C02氣體，為了保證計算流場的收斂，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 流場計算結(jié)果分析

壓氣機計算特性見圖 2。隨著間隙增大，壓氣機堵點流量降低，峰值壓比與峰值效率降低，特性線往左下方移動，變化趨勢和常規(guī)壓氣機間隙增大的趨勢一致。

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

從圖中可以看出，當(dāng)葉輪計算間隙從0.2mm變化到0.3mm過程中，堵點流量減小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)，壓氣機特性才能保持無大的衰減。而當(dāng)間隙增大到0.3mm時，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，這是因為超臨界CO2葉輪比常規(guī)葉輪尺寸小，相同量級的葉輪間隙與葉片高度的相對比值更大，使得葉尖流場更加間隙泄露流更強。

圖 7為葉輪95%葉高blade-to-blade截面流場流線分布，可以看出，隨著間隙增大，流線更接近垂直穿過葉頂間隙，說明葉尖流場泄露產(chǎn)生的二次流增強，在間隙小于0.2mm時，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，低速區(qū)發(fā)展形成渦，并逐漸增強。因此，隨著葉尖間隙的增大，葉尖的流場趨于紊亂，損失增加。

結(jié)論

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

（1）隨著葉輪計算間隙增大，超臨界CO2壓氣機特性呈現(xiàn)堵點流量降低，壓比降低，效率降低，趨勢上與常規(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葉頂間隙，葉尖流場二次流增強。導(dǎo)致了葉尖流場的惡化。

（3）當(dāng)葉輪計算間隙從0.1mm增加至0.3mm時，堵點流量下降5%，峰值壓比下降5.7%，峰值效率絕對值下降6%;當(dāng)葉輪計算間隙從0.2mm增至0.3mm時，壓氣機堵點流量下降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，增強了葉尖二次流效應(yīng)。因此建議試驗葉輪熱態(tài)間隙控制在0.25mm以內(nèi)，性能參數(shù)衰減小于5%。

參考文獻：

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

[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.

作者簡介：

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