高速超临界二氧化碳干气密封实际效应影响分析

DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20190183

高速超临界二氧化碳干气密封实际效应影响分析

沈伟，彭旭东，江锦波，李纪云

(浙江工业大学过程装备及其再制造教育部工程研究中心，浙江 杭州 310014)

摘 要

引 言

超临界二氧化碳（CO2）布雷顿循环因效率高、体积小和环境友好等显著特点而成为目前发电领域最具应用前景的电力循环系统，而系统中关键动力设备的泄漏损失严重制约其效率的提高。干气密封因其低泄漏、非接触运行特性而成为超临界CO2动力设备轴端密封的首选。不过由于超临界CO2的介质物性与常规密封介质如空气、氮气等差异很大，导致目前常规介质干气密封的设计方法难以适用。高密度、低黏度且在近临界点存在介质物性突变的超临界CO2可能会引发湍流效应、惯性效应和实际气体效应，进而影响干气密封的稳态性能。

国内外学者很早就关注到超临界流体的高密度和变物性特性可能会使流体的惯性效应和实际气体效应增强。Jassim等和Muto等数值模拟了超临界流体在激波管中的流动特性，分析了实际气体对流动特性的影响；Baltadjiev研究超临界CO2离心压缩机中实际气体效应对其运行性能和匹配选型的影响。Fariuz等基于湍流模型研究了超临界CO2干气密封中高密度超临界流体离心效应对稳态性能的影响，指出离心效应会使在近临界点运行的干气密封气膜承载力和泄漏率显著降低。许恒杰等基于层流假设分析了惯性效应、阻塞效应和实际气体效应对高速高压二氧化碳干气密封开启力和泄漏率的影响。Du等采用实际气体模型分析超临界CO2螺旋槽干气密封的稳态性能，并与理想气体模型进行对比分析，指出两种模型计算所得密封性能差异明显。由于超临界CO2的密度似液体、黏度似气体，其Reynolds数比一般的气体和液体都要高出1~2个数量级，在高速条件下其流体膜可能处于湍流状态。温建全在研究超临界CO2气体箔片轴承时指出，湍流对箔片轴承的润滑特性影响显著，高速时不宜作层流假设处理，且湍流和实际物性变化可显著提高箔片轴承的承载力；Conboy基于湍流模型分析了实际气体效应对超临界CO2气体箔片轴承流场、承载力和功耗的影响。不过对于超临界CO2干气密封中多种效应的交互影响机制鲜有 道，特别是考虑流体膜实际流态下实际气体效应和惯性效应的影响还有待进一步研究。

流体润滑轴承中的湍流效应及其发生机理很早就引起了国外学者的关注。Constantinescu等最先采用的混合长度理论是以平均速度梯度表示湍流应力。不过该理论并未考虑介于靠近边界的层流亚表层与完全湍流区域之间的过渡区，由此会造成剪切力的不连续。针对该理论所存在的局限性，Ng等对湍流流动机理开展进一步研究，提出了涡流黏度概念，也即用平均速度梯度来表征湍流应力，应用壁面定律关联边界层附近区域的平均速度分布；Elord等将该理论进一步发展。目前，Hirs所提出的整体流理论是被广泛接受且成功应用于解决薄膜湍流润滑问题，该理论建立了壁面剪切力与相对壁面平均流动速度之间的关系式，并同时考虑了速度流和压力流。Constantinescu等、Ng等和Hirs所提出的湍流理论奠定了流体润滑湍流机理研究的基础，Wang等和Luan等基于上述理论开展了机械密封和轴承转子系统中的湍流效应及几何参数影响研究；Hashimoto等则针对不同工况和端面结构推力轴承中的湍流效应开展了较为系统的研究。

针对超临界CO2高密度、低黏度和在近临界点物性突变的物性特点，建立了考虑惯性效应、湍流效应和实际气体效应的超临界CO2螺旋槽干气密封实际修正计算模型；通过对超临界CO2干气密封常用工况条件下三种实际效应影响的初步分析，遴选出实际气体效应突显的工况作为下 研究的工况条件。对比分析了经典简化模型与实际修正模型下的超临界CO2干气密封气膜刚度和泄漏率，探究了不同压力和速度工况下实际气体效应、惯性效应和湍流效应对气膜刚度和泄漏率的单独影响和交互影响机制，获得了不同工况条件下三种效应对密封性能的影响程度及主次排序。

结 论

(1) 与基于理想气体、层流假设且忽略惯性项的经典简化模型相比，考虑实际气体效应、惯性效应和湍流效应的实际修正模型计算所得的高速超临界CO2干气密封的气膜刚度在密封线速度为25 m·s﹣1时基本一致，而在速度较大时显著提高，最大增幅达到92%；泄漏率在密封线速度为150 m·s﹣1时差别较小，而在速度较小时显著提高，最大增幅达到47%。

(2) 对于高速超临界CO2干气密封，实际气体效应使气膜刚度和泄漏率都显著提高，其对气膜刚度的影响随介质压力和速度的增大而增强；湍流效应使气膜刚度增大，而使泄漏率减小，且影响程度随介质压力和速度的增大而增强；惯性效应对气膜刚度和泄漏率的影响相对较弱。

(3) 在超高速高压条件下，湍流效应和实际气体效应对超临界CO2干气密封稳态性能参数的影响之间具有很强的交互影响，不过与惯性效应之间的交互影响很弱。

1 理论模型

1.1 几何模型

图1 螺旋槽干气密封开槽端面结构

1.2 数学模型

图2 经典简化模型和实际修正模型对比

图3 数值计算程序流程图

2 结果讨论与分析

表1　干密封环几何参数与工况参数

2.1 程序正确性验证

图4 考虑惯性和湍流的计算程序正确性验证

2.2 典型研究工况选择与实际效应初步分析

表2　超临界CO2干气密封应用工况示例

图5 S-CO2密度和黏度随压力和温度变化规律

图6 不同压力和温度组合下实际气体超临界CO2干气密封膜压差值分布

2.3 实际效应对密封稳态性能影响

图7 S-CO2干气密封气膜刚度和泄漏率随线速度变化规律（po=8 MPa）

图8 S-CO2气膜端面密封气膜刚度和泄漏率随线速度变化规律（po=14 MPa）

图9 不同计算模型计算所得超临界CO2干气密封径向平均膜压分布(po=14 MPa)

2.4 各效应影响及其交互作用

图10 四种不同计算模型对应的超临界CO2干气密封速度场

图11 各效应对S-CO2干气密封气膜刚度和泄漏率增幅的影响

表3　不同工况条件下三种效应对超临界CO2干气密封气膜刚度的交互性能增量比

表4　不同工况下三种效应对超临界CO2干气密封泄漏率的交互性能增量比

图12 实际气体效应、湍流效应和惯性效应之间的耦合关系

图13 不同计算模型和压力下的CO2密度分布

图14 不同速度下超临界CO2干气密封端面Reynolds数分布(po=14 MPa)

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