超临界二氧化碳压气机热态间隙影响研究

摘 要：本文为探究叶轮热态间隙对超临界二氧化碳压气机性能的影响，在一个现有设计压比2.5超临界二氧化碳压气机模型上，选取叶轮计算间隙0.1mm-0.3mm，通过三维流场计算，结果表明：随着叶轮计算间隙增大，叶轮堵点流量、压比、效率降低;叶尖低速区会形成涡，叶轮通道间的二次流增强。当叶轮计算间隙从0.2mm增至0.3mm时，压气机堵点流量下降2.5%，压比下降2.85%，效率下降3.5%。性能的衰减幅度高于常规压气机，因此试验时超临界二氧化碳压气机的热态间隙控制需要更加精准。

关键词：超临界CO2;压气机设计;压气机间隙;气动性能

相对传统工质，超临界二氧化碳（S-CO2）为工质的动力循环系统具有效率高、成本低、洁净以及体积小等优点，特别是二氧化碳具有临界压力适中、临界温度在环境温度范围内，较好的稳定性和核物理性质、无毒以及储量丰富等优点，被认为是核反应堆最具应用前景的循环工质[1]。

近年来，国内外相继开展了超临界二氧化碳发动机的理论与试验研究，东京技术学院开展了热源为纳冷快速反应堆的S-CO2压气机设备的性能获取和研究[2]。美国SANDIA实验室在2009-2010年开展了输出功率为50kw量级的发动机验证性试验[3]，其中压气机的轴功率为50kw量级，但是试验没有推到设计转速。2012年，SANDIA进行了输出功率为250kw量级的发动机试验[4]，并且在世界上首次获得了发动机净循环功。

1 超临界状态简介

超临界流体是指温度及压力均处于临界点以上的流体（温度>304.3K，压力>7.38Mpa），气体的物性介于气体和液体之间，具有溶解性强，密度接近液体，粘性接近液体，扩散性好的特点。二氧化碳进入超临界状态。

在超临界状态时，流体满足理想气体物性，因此其设计方法与传统的压气机存在区别。

图 1是在临界区域附近，CO2流体密度（kg/m3）随着温度、压力的变化规律（温度单位：K，压力单位：Mpa）。左侧图是三维关系图，右侧图是密度在温度-压力二维平面的投影图，从图中可以明显看出，在超临界状态附近，密度出现明显的阶跃，流体从亚临界到超临界，密度发生突增。

2 流场计算模型建立

对于超临界压气机设计而言，叶轮进口状态会选取在流体临界点附近，流体密度在压气机中处于300-400kg/m3的量级，相对空气为介质的压气机，其密度量级相当大，因此其压气机尺寸相对于常规压气机将会十分紧凑，美国Sandia试验室加工出来的离心叶轮进口轮毂半径为2.5mm，出口叶片高度仅为1.7mm。本文建立的计算模型如下。

2.1计算模型

设计一个压比2.5左右的离心级压气机，包含了离心叶轮与径向扩压器。

2.2间隙算例选取

常规叶轮的热态间隙一般可控制在0.2mm—0.3mm之间，考虑到超临界二氧化碳压气机尺寸更小，本文研究的叶轮计算间隙范围取为0.10mm、0.15mm、0.20mm、0.25mm、0.3mm。

2.3 计算设置

采用CFX软件进行流场仿真计算，工质选取符合R-K方程物性的C02气体，为了保证计算流场的收敛，湍流模型采用k-e模型，精度一阶，网格交界面选取stage模式。

3 流场计算结果分析

压气机计算特性见图 2。随着间隙增大，压气机堵点流量降低，峰值压比与峰值效率降低，特性线往左下方移动，变化趋势和常规压气机间隙增大的趋势一致。

以叶轮间隙0.1mm算例为基准，分析各算例堵点流量、峰值压比变化率，以及峰值效率变化的绝对差值，结果见图 3—图 5。

从图中可以看出，當叶轮计算间隙从0.2mm变化到0.3mm过程中，堵点流量减小3%，峰值压比减小2.5%，峰值效率减小3%，并且间隙越大，衰减幅度越明显，因此，应该考虑把叶轮间隙控制在0.2mm—0.25mm之内，压气机特性才能保持无大的衰减。而当间隙增大到0.3mm时，峰值效率相比0.1mm间隙，下降6%，相比常规叶轮，下降幅度更大，这是因为超临界CO2叶轮比常规叶轮尺寸小，相同量级的叶轮间隙与叶片高度的相对比值更大，使得叶尖流场更加间隙泄露流更强。

图 7为叶轮95%叶高blade-to-blade截面流场流线分布，可以看出，随着间隙增大，流线更接近垂直穿过叶顶间隙，说明叶尖流场泄露产生的二次流增强，在间隙小于0.2mm时，小叶片的压力面和大叶片的吸力面之间存在低速区，当间隙增时，低速区发展形成涡，并逐渐增强。因此，随着叶尖间隙的增大，叶尖的流场趋于紊乱，损失增加。

结论

本文分析了超临界CO2压气机气体工质，针对压比量级2.5左右压气机，开展压气机叶轮间隙的敏感性研究，主要得到以下结论：

（1）随着叶轮计算间隙增大，超临界CO2压气机特性呈现堵点流量降低，压比降低，效率降低，趋势上与常规离心叶轮的变化一致;

（2）随着叶轮间隙的增大，叶轮小叶片压力面到大叶片吸力面之间由低速区逐渐发展形成涡，流线更接近垂直穿过叶顶间隙，叶尖流场二次流增强。导致了叶尖流场的恶化。

（3）当叶轮计算间隙从0.1mm增加至0.3mm时，堵点流量下降5%，峰值压比下降5.7%，峰值效率绝对值下降6%;当叶轮计算间隙从0.2mm增至0.3mm时，压气机堵点流量下降2.5%，压比下降2.85%，效率下降3.5%。下降的幅度大于常规叶轮。这是由于超临界CO2叶轮尺寸小，间隙所占通道比例大，增强了叶尖二次流效应。因此建议试验叶轮热态间隙控制在0.25mm以内，性能参数衰减小于5%。

参考文献：

[1] 2016，《热力透平》，西安交通大学，丰镇平，超临界二氧化碳动力循环系统及关键部件研究进展。

[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.

作者简介：

徐威阳（1988-），男，汉族，湖南株洲人，硕士研究生，工程师，研究方向：压气机气动设计。