超临界二氧化碳动压端面密封薄膜流动与密封性能研究
随着人们对清洁能源的需求日益增加，以超临界二氧化碳(SCO2)作为工作介质的布雷顿循环（Brayton Cycle）因其高效、结构紧凑和环保等优点备受关注。但其装置透平机组轴端迷宫密封泄漏大，限制了循环装置热效率的进一步提高。为此，泄漏量低、可靠性高的动压端面密封就成为替代迷宫密封的首选密封。 本文针对某布雷顿循环装置的实际工况，设计了轴端端面动压密封装置，在Fluent软件建立螺旋槽动压端面密封薄膜间隙流场三维流动模型，调用NIST数据库中超临界二氧化碳真实物性数据，求解流动控制方程，对其流体流动及密封性能进行数值分析及试验研究。 数值模拟结果表明，操作压力及密封薄膜间隙对阻塞流动影响较为明显。薄膜间隙越大，壁面摩擦作用相对减弱，阻塞效应容易发生。随转速、温度升高，出口速度增大，出口压力降低。随端面粗糙度增加，出口速度、压力均降低。与空气、氮气相比，SCO2在近临界点处密度、粘度变化幅度大，发生阻塞效应的操作压力最低。在阻塞工况下，密封开启力和泄漏量均随着气体温度、转速升高而降低。 在此基础上，通过分析操作参数对端面密封性能影响发现，转速提高，不同膜厚气膜开启力F变化不同。气膜厚度小于3μm时，开启力随转速增加增大明显。气膜厚度大于3μm时，开启力随转速增加反而降低。介质温度升高，开启力等性能参数均降低。开启力与操作压力呈线性关系增加，且不同膜厚之间开启力几乎相等。 分析了结构参数对端面密封性能影响，并对结构参数进行正交优化试验。槽深对开启力、气膜刚度和泄漏量影响最大。槽宽比对摩擦功耗影响最大，对开启力、气膜刚度影响最小。槽数对泄漏量，摩擦功耗影响最小。确定结构参数为β=16°、hg=7μm、t=0.5、κ=0.65、N=20时，SCO2动压端面密封性能最佳。 研究了粗糙度、端面介质和对密封性能影响。粗糙度能够有效提高密封开启性能，增大气膜刚度。考虑端面介质，SCO2相对于空气在高转速运行时，开启力、摩擦功耗与泄漏量均大于空气。考虑螺旋槽位置时，泵出型螺旋槽端面密封适用于低转速。高转速时泵入型螺旋槽密封性能优于泵出型螺旋槽密封。 采用高压空气在自主设计的高压流体端面密封试验台进行高压流体高速密封性能试验。试验结果表明，端面密封可以实现压力达9MPa的静密封，且泄漏量低于标准值。操作压力越大，转速越高，空气泄漏量越小。密封泄漏随转速和压力的变化与数值模拟结果较一致。数值分析和试验研究结果可以为进一步研究SCO2端面动压密封的动态性能、相变流动等问题提供参考。 通过对超临界二氧化碳动压端面密封流体流动和密封性能的数值模拟与试验研究，证明了螺旋槽动压端面密封适用于超临界二氧化碳布雷顿循环轴端密封。为布雷顿循环机组轴端密封的应用奠定理论基础，为端面密封在工程实际应用拓宽领域。
布雷顿循环装置;动压端面密封装置;超临界二氧化碳;流体流动;密封性能
北京化工大学
硕士
机械工程
马润梅;贾祥际
2019
中文
TH136
2019-09-26（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）