Page 99 - 《摩擦学学报》2020年第6期
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782                                     摩   擦   学   学   报                                 第 40 卷

                 without considering centrifugal inertia force effect, and the difference increased with the increase of rotating speed, but
                 didn't change with the variation of film thickness. These results provided a certain theoretical foundation for further
                 research on supercritical carbon dioxide dry gas seal.
                 Key words: centrifugal inertia force effect; supercritical carbon dioxide; dry gas seal; pressure equation; energy equation

                处于超临界状态下的CO 具有较高的流动密度、                         中选用R-K方程描述CO 的实际气体效应，采用热-流-
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                                                                                   2
            传热性、低黏度       [1-2] ，可以大大减小系统中涡轮机械和                固耦合的方法对空气与二氧化碳为介质的螺旋槽干
            换热器的结构尺寸，降低运行维护成本. 因此，以                            气密封性能进行了分析讨论，指出两者之间的密封性
            S-CO (Supercritical-CO ，S-CO )为工质的闭式布雷顿            能存在较大差异，而且对二氧化碳干气密封来说其性
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            循环系统具有工质清洁、效率高、能量密度大、设备体                           能更易受到入口温度与压力的影响. 2019年，沈伟等                  [16]
            积小  [3-4] 等优点，在电站、航空工程、制冷工程、废水和                    以高速S-CO 干气密封为研究对象，推导了考虑离心
                                                                          2
            余热利用     [5-6] 、第四代核反应堆 、太阳能光热发电            [8-9]  惯 性 力 效 应 和 实 际 流 态 的 膜 压 控 制 方 程 ， 采 用
                                       [7]
            等众多领域有很好的应用前景.                                     REFPROP数据库描述CO 的实际气体物性，在定温场
                                                                                     2
                S-CO 闭式布雷顿循环系统，其主要的核心部件                        下对比分析了密封特性参数，指出实际气体效应与湍
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                                               [10]
            有涡轮机械、回热器、轴承及密封件等 . 作为在高                           流效应对稳态性能具有很强的交互影响. 同年，Du
                                                                 [17]
            温、高压、高速下工作的闭式循环，它对涡轮机械(透                           等 同样在ANSYS CFX中采用热-流-固耦合的方法，
            平机、压缩机)的轴端动密封提出了更高的要求. S-CO                  2     对不同螺旋槽槽深结构的干气密封性能进行了对比
            干气密封相比任何一种应用于该工况下的其他密封                             分析，得出二氧化碳比空气有较大的平均膜压、开启
            而言，具有最低的泄漏率，而且更可靠、更经济、更安                           力、泄漏率以及较低的平均端面温度. 之后，Fairuz Z M
                                                                 [18]
                              [11]
            全，因此被推荐使用 . 然而到目前为止，还没有相应                          等 利用CFD数值模拟方法，通过耦合求解由压力、
            的干气密封设计准则可用于S-CO 布雷顿循环，许多                          温度、离心力共同作用下的密封环变形，分析了对流
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            试验台还是依然采用传统的迷宫密封                [10, 12] . 当前，S-CO 2  面积对S-CO 干气密封环变形的影响，指出减小对流
                                                                          2
            干气密封逐渐引起各国研究人员的关注. 2016年，Fairuz                    换热面积是减小密封环热变形的有效途径. Eagle-
                  [11]
                                                                                     [19]
            Z M等 利用CFD数值模拟方法，调用REFPROP数据                       Burgmann公司的Armin等 开展了关于S-CO 干气密
                                                                                                      2
            库描述CO 的实际气体物性，对靠近CO 临界点与远                          封的试验测试，指出密封端面温度的变化与泄漏率的
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            离临界点这两种工况条件下的S-CO 干气密封流场压                          大小密切相关. 密封泄漏率较小时，介质流经密封间
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            力、温度、密度进行了分析研究，并指出当靠近CO 临                          隙的过程接近于等温过程；当密封泄漏率很大时，密
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            界点时这些参数显著提升，同时，当气体密度较大时                            封端面温度不再以等温规律变化，流动接近于绝热过
            离心惯性力效应将起着非常重要的影响，并对开启力                            程. 但文中没有给出判别采用等温或绝热过程的泄漏
                                                                                              [20]
                                                  [13]
            有明显的削弱作用. 同年，GE公司的Thatte等 提出了                      率临界值或范围. 2020年，许恒杰等 以二氧化碳和
            S-CO 干气密封流-热-固耦合多物理场分析模型，对                         氢气为润滑气体，分析了考虑实际气体效应的螺旋槽
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            MW级S-CO 涡轮机械的干气密封进行了耦合物理性                          干气密封在阻塞流条件下的压力和温度分布，指出实
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            能预测与风险评估，并通过试验测量了S-CO 在临界                          际气体与理想气体之间的偏差是影响密封性能的主
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            点附近的多相凝结流动特性，同时指出S-CO 干气密                          要原因，与理想气体模型相比，实际气体效应提高了
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            封气膜内存在气相到液相甚至固相的转变，以及阻塞                            二氧化碳的出口压力、开启力、泄漏率、坝区马赫数和
            流或超声速导致的气膜刚度、阻尼的剧烈扰动会诱发                            温度.
                                            [14]
            密封动力不稳定. 2018年，许恒杰等 以维里方程描                             综上所述，由于S-CO 的密度、黏度、比热等发生
                                                                                     2
            述二氧化碳的实际气体行为，同时考虑阻塞流效应和                            了较大变化，因此，在求解润滑方程时，真实气体效
            密封端面间气膜的黏度变化，采用有限差分法分别分                            应、离心惯性力效应、黏度等成为需要考虑的内容. 此
            析了层流状态下离心惯性力效应对泵入式、泵出式螺                            外，就当前研究进展而言，对S-CO 干气密封流场的计
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            旋槽干气密封稳态性能，指出与理想气体相比，离心                            算，究竟在何时或什么条件下按等温或绝热过程来处
            惯性力效应对二氧化碳实际气体干气密封性能的影                             理尚无法确定，还需进一步研究. 在现有S-CO 干气密
                                                                                                      2
            响程度更高，且二氧化碳温度越接近其临界温度，离                            封润滑理论中，进行压力求解时大都没有考虑流场内
                                           [15]
            心惯性力效应表现得越明显. Du等 在ANSYS CFX                       温度的变化，至于离心惯性力效应对温度的影响则更
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