超临界二氧化碳透平被广泛用于太阳能发电系统中,但局部损失导致该透平流动中部分区域工质处于亚临界区。为了探究二氧化碳在跨临界区物性对透平的影响,进行了喷管实验和单级轴流透平的热力气动设计、三维造型及数值模拟。结果表明:二氧化碳物性在跨临界区急剧变化,易产生流动分离和回流等现象;设计透平在各工况下喷嘴尾缘、动叶吸力面前缘等局部压降区域易出现跨临界现象,并伴随有透平效率不同程度降低;增大出口压力、升高温度、调整转速或优化翼型,均可避免跨临界情况发生,从而提高透平效率。

在高参数工况下,超临界二氧化碳(以下简称SCO2)动压密封的端面容易发生热弹变形,从而影响动压密封性能,针对该问题,建立了SCO2动压密封热流固耦合数值分析模型。在考虑了粘性耗散的基础上,求解了密封环温度场,采用CO2真实物性数据求解了流体膜压力场,将温度场和流体膜压耦合到密封环上,求解了密封端面的热弹变形;对比研究了热变形和弹变形对热弹总变形的影响,分析了转速、压力和温度对密封端面热弹变形的影响规律,提出了减少热弹变形的方法。研究结果表明SCO2在动压密封高温下宜减小密封环的温差,以减小端面变形,高压下宜采用高弹性模量材料以减小端面变形,高转速下依靠动环热变形与弹性变形互相抑制关系以减小端面热弹总变形;密封环的端面最大轴向间隙与介质温度呈线性关系增大,与压力呈线性关系减小;转速则使其先减小,后增大。

超临界二氧化碳涡轮密封具有较强的气动特性和转子非线性运动特征,为探究密封气动作用对转子运动的影响,该文通过Fluent用户自定义函数和四阶Runge-Kutta构建转子-密封的非线性涡动模型,实现转子非线性动力学与密封流场的联合求解,得到转子受密封气流激振力作用下自由涡动的动力特性,揭示密封气流激振对转子失稳的作用过程。结果表明不平衡质量力和转子弹性恢复力会使得转子运动呈现弧状的螺旋运动。密封的气体动压作用导致发生转子横向偏移。密封气流激振力呈现带状分布,在工作转速形成明显的振幅,动力系数波动幅度较大。不平衡质量力和气流激振力使得密封有效阻尼较低,更容易发生运动失稳。

为研究超临界二氧化碳(Supercritical Carbon Dioxide,SCO2)扇贝阻尼密封在不同工况下动力稳定性,建立SCO2扇贝阻尼密封数值计算模型,分析进口压力、温度及转速对SCO2扇贝阻尼密封动力特性及泄漏特性的影响。结果表明直接复合刚度随涡动频率增加由正变负;交叉复合刚度随进口温度、压力增加而减小,随转速增加而增大;SCO2扇贝阻尼密封的有效阻尼随进口温度、转速增加而减小,随进口压力增加而增大,进口压力为8.1 MPa时有效阻尼约为7.7 MPa时的1.7~2.9倍;扇贝阻尼密封直接复合刚度、有效阻尼整体上大于迷宫密封,稳定性高于迷宫密封,但泄漏量略高于迷宫密封。

超临界CO2(SC-CO2)喷射压裂技术有望成为非常规油气资源的高效开发手段。为了探明其射流密封机理,开展了SC-CO2喷射压裂作业时环空、孔眼及裂缝中的流场数值模拟研究。结果表明SC-CO2喷射压裂作业时SC-CO2射流在环空附近形成低压区,促使环空流体进入地层孔眼而不进入已压开裂缝中,从而实现射流密封;SC-CO2喷射压裂的射流密封效果与喷嘴压降和喷嘴直径正相关,与套管孔径和环空压力反相关,而受到SC-CO2流体温度的影响极小;在相同的模拟条件下,SC-CO2喷射压裂的射流密封效果强于水力喷射压裂。

轴流透平叶顶不可避免地存在泄漏问题,严重影响了透平的运行效率与安全,工程上通常在叶顶布置密封结构来降低泄漏流的影响。为了进一步提升叶顶密封性能,该文基于一个1.5级超临界二氧化碳轴流透平,在动叶叶顶布置串联式干气密封,讨论了不同密封间隙下的流动特性和气动性能,并通过热流固耦合方法研究了密封端面变形特性,验证了其可行性。结果表明串联式干气密封间隙为10mm时,无量纲相对泄漏量仅有2.43×10-5,透平效率相对于无泄漏结构仅降低了0.01%。随密封间隙增大,泄漏量增大,透平级内损失增大,效率降低。但在大密封间隙下,串联式干气密封结构相比于单级密封结构性能更突出。各个密封间隙下,密封端面内外径热力耦合轴向变形差均不超过27mm,且变形后透平可以维持较高效率。研究结果表明,超临界二氧化碳轴流透平叶顶布置串联式干气密...

为研究超临界二氧化碳干气密封密封环的变形分布,揭示工况条件对密封环变形的影响规律,在考虑CO2真实气体效应的同时,建立考虑密封环对流换热的热-流-固耦合计算模型,借助CFD和CSM计算机仿真技术,研究超临界二氧化碳干气密封动、静环在多重载荷共同作用下的变形规律。研究结果表明:密封环轴向最大热-流-固变形出现在耦合面,热变形和力变形方向相反,其中热变形起主导作用;转速增大,密封环最大轴向热变形和力变形增大,动环最大轴向热-流-固耦合变形减小;介质压力增大,动环和静环最大轴向力变形分别增大66.25%和6.18%,最大轴向热变形和热-流-固耦合变形均减小;进口温度上升,动环和静环最大轴向热变形分别增大40.79%和34.90%,最大轴向力变形基本不发生改变。

超临界CO2压缩机进口端干气密封工况处于临界点附近,强非线性物性及高Reynolds数流动使其密封特性异于常规介质干气密封。在综合考虑四种实际流体效应的稳态膜压求解模型基础上,基于摄动法推导了包括膜压、密度、黏度、Reynolds数、湍流系数和惯性系数在内的多变量摄动干气密封动特性数值模型。对比分析了超临界CO2和N2干气密封的动态特性,研究了不同频率比下各实际流体效应和变量摄动形式对超临界CO2干气密封动特性系数的影响规律,获得了不同条件下动态特性的关键影响因素。结果表明:高频下超临界CO2干气密封的刚度和阻尼系数较N2干气密封降幅超过50%,湍流效应和实际气体效应对干气密封动态特性影响显著,低频下采用经典变量摄动和忽略湍流系数摄动会使动特性系数计算偏差很大,而高频下经典变量摄动模型对刚度系数的预测精度可接受。

为探究湍流效应对S-CO2干气密封性能的影响规律,以螺旋槽干气密封为研究对象,引用考虑离心惯性力效应的湍流Reynolds方程,选择Ng-Pan湍流系数表达式,采用物性软件REFPROP对CO2真实物性进行计算。之后,根据普适能量方程,通过引入包含湍流效应、离心惯性力效应的平均速度,建立了可压缩流体简化能量方程。通过对湍流Reynolds方程与简化能量方程进行耦合求解,分析讨论了不同工况参数与平均膜厚下湍流效应对密封性能的影响。研究表明:湍流效应使得气膜流场内压力与温度分布发生显著变化,流场计算时不可忽略;在不同进口压力、进口温度下,湍流下的开启力和泄漏率显示出与层流一致的变化趋势;在不同平均膜厚下,考虑湍流效应后的开启力呈现出与层流不同的变化规律,而泄漏率表现出与层流相同的变化趋势;在不同进口压力、进口温度、平均膜厚下,湍流下...

为了解管道密封材料在超临界CO2输送环境的适用性,采用横截面直径、外径、硬度和质量测量及形貌观察等方法研究了三元乙丙橡胶（EPDM）、丁腈橡胶（NBR）、聚四氟乙烯（PTFE）、聚三氟氯乙烯（PTFCE）和聚醚醚酮（PEEK）5种密封材料在超临界CO2中的溶胀规律。结果表明：在35℃、8 MPa,水饱和度为60%,饱和含水量及水相的条件下,EPDM和NBR发生了明显溶胀现象,横截面直径及外径明显增加,表面出现了较多开裂和鼓包;5种材料的硬度均有下降,质量未发生明显变化;5种密封材料性能未随超临界CO2中的含水量发生明显变化。在水饱和度为60%条件下,随实验时间的增加,EPDM和NBR的溶胀现象变得更加明显,PTFE和PTFCE的硬度有所降低。PEEK在各含水量及实验时间条件下均表现出优良的性能。