为建立高性能超临界二氧化碳(SCO2)布雷顿循环系统,基于西安热工研究院的5 MW等级SCO2火力发电试验平台的高压涡轮设计参数,采用基于Denton损失模型的自编一维涡轮设计程序、AXIAL软件及AXCENT软件设计了2级轴流超临界二氧化碳涡轮,采用CFX软件RANS方程与NIST的真实超临界二氧化碳工质物性数据相结合的数值方法,研究了超临界二氧化碳高压涡轮设计工况和变工况气动特性.结果表明:综合考虑高设计参数下的超临界二氧化碳涡轮辅助系统的可实现性,选择两级轴流直叶栅涡轮设计方案,经叶型优化后可实现两列涡轮静叶的总压损失约为0.042,第1/第2列动叶栅相对总压损失为0.050和0.064,叶片的根部、中部和顶部流场的马赫数分布合理.考虑动静叶泄漏掺混损失的高压涡轮的等熵效率可达到84.88%,轴功率3 251 k W,涡轮变工况性能良好.

实际气体效应和湍流效应对超临界二氧化碳(S-CO2)干气密封性能影响很大。建立了典型的螺旋槽干气密封计算模型,采用CFD软件求解S-CO2干气密封端面流动方程,获取流体在密封槽间隙间的流动状态,研究了不同转速下实际气体效应和湍流效应对密封性能的影响。结果表明:实际气体效应和湍流效应使气膜端面压力分布发生显著变化;实际气体效应会提高气膜开启力和泄漏量,对开启力的增强作用随转速增大而变强,但对泄漏量的影响程度几乎不随转速变化;低转速时,湍流效应对开启力影响微弱,随着转速增大,湍流效应使得开启力急剧增大,且增幅随转速增大而增大;在高转速S-CO2干气密封中,实际气体效应和湍流效应的共同作用使得气膜端面的开启力显著提高,且湍流效应的影响程度大于实际气体效应。