叶尖间隙对百千瓦级超临界二氧化碳涡轮机性能的影响

《The Journal of Supercritical Fluids》：Tip clearance effects on the performance of a hundred kW-class supercritical CO 2 turbine

超临界二氧化碳（S-CO?）涡轮机叶尖间隙对性能的影响研究。通过实验与CFD模拟对比，验证了模拟方法的最大偏差为3.3%，确认其可靠性。结果表明：设计工况下，CFD模拟质量流量9.67kg/s，等熵效率81.5%；实验值分别为9.35kg/s和83.9%。间隙每增加0.25mm，质量流量下降0.04kg/s，效率降低1.04%，呈现近线性关系。研究为百千瓦级S-CO?涡轮机设计优化提供了理论依据和实践指导。

　　超临界二氧化碳（S-CO?）布雷顿循环技术因其高效和环保的特性，正在成为一种有前景的能量转换系统。这项技术在许多应用领域中都受到广泛关注，例如集中式太阳能发电、核电站以及工业余热回收等。与传统的布雷顿循环相比，S-CO?系统利用了二氧化碳在超临界状态下的独特热物理特性，如高密度和比热容，从而实现了更高的热效率，并且显著减少了系统的体积和成本。这些优势使得S-CO?系统在多种应用场景中表现出良好的适应性。

在S-CO?布雷顿循环系统中，涡轮作为核心部件，对系统的整体性能起着决定性作用。涡轮的设计和运行特性直接影响系统的热力学效率和机械稳定性。对于百千瓦级的S-CO?涡轮，由于叶片高度相对较小，导致涡轮叶片尖端与机壳之间的间隙比例较大，这种大间隙比对效率和流动特性产生了不利影响。研究表明，间隙引起的泄漏流动会导致通道损失，并在叶片表面产生径向二次流动，从而增加湍流、能量损耗以及整体流动损失，最终降低涡轮的等熵效率和质量流量。

虽然在传统燃气轮机中，减小叶片尖端间隙已被广泛研究，被认为是维持高效率的关键因素，但针对S-CO?涡轮的研究相对较少，尤其是在结合计算流体力学（CFD）模拟与实验验证方面。CFD模拟在不同工况下提供了对流动行为和性能指标的深入见解，但由于缺乏实验数据进行验证，其准确性往往受到限制。因此，为了更全面地理解并优化S-CO?涡轮的性能，有必要采用集成的数值模拟与实验验证方法。

近年来，随着实验技术的进步，人们能够更精确地测量涡轮性能和间隙效应。高精度测量系统和先进的传感器技术使得对S-CO?涡轮内部流动场和泄漏现象的详细表征成为可能。这些实验研究对于验证CFD模型、优化涡轮设计以及缓解间隙带来的不利影响至关重要。此外，研究还发现，间隙与其它设计参数，如叶片高度、涡轮转速和运行温度之间存在复杂的相互作用关系。即使是很小的间隙变化，也可能导致质量流量和等熵效率的显著变化，这强调了对间隙参数进行精确控制的重要性。

为了应对这些挑战，一些策略已被提出以减轻间隙对涡轮性能的负面影响。其中包括先进的叶片尖端设计，如引入叶片封口或密封结构，以减少泄漏流动及其相关的损失。此外，动态调整间隙的主动控制机制也被认为是优化涡轮性能的一种有前景的方法。这些创新方案旨在在保证高效率的同时，保持足够的机械稳定性和热膨胀容差之间的平衡。

尽管已有这些研究，但目前仍缺乏对百千瓦级径向S-CO?涡轮在实际运行条件下的CFD与实验验证结合的研究。超临界二氧化碳在高压和高温条件下的高密度和可压缩性，导致了与传统燃气轮机截然不同的流动现象。因此，这项研究填补了这一空白，通过首次结合CFD模拟与实验验证的方式，对百千瓦级S-CO?径向涡轮在真实运行条件下的性能进行了深入分析。研究结果表明，即使是很小的间隙变化，也会对质量流量和等熵效率产生显著影响。

本研究的重点在于探讨间隙大小与涡轮性能之间的近似线性关系。通过实验和模拟的结合，研究团队能够更精确地量化间隙对涡轮性能的具体影响。实验数据的获取和模拟结果的对比，不仅验证了CFD模型的可靠性，还为未来的涡轮设计和优化提供了重要的参考依据。研究发现，在设计工况下，CFD模拟的质量流量为9.67千克/秒，等熵效率为81.5%，而实验结果分别为9.35千克/秒和83.9%。这说明模拟与实验之间存在一定的差异，但总体上保持了一致性。

研究团队还发现，对于每增加0.25毫米的间隙，质量流量会减少约0.04千克/秒，等熵效率则会下降约1.04%。这一发现表明，间隙对涡轮性能的影响具有一定的可预测性，从而为优化设计提供了实用的指导。通过控制间隙的大小，可以有效提升涡轮的等熵效率和质量流量，进而改善整个系统的性能和可靠性。

在研究过程中，团队首先对百千瓦级径向涡轮进行了详细的几何建模和网格划分。涡轮的主要几何参数包括进口和出口半径、叶片数量等，这些参数对于准确模拟涡轮内部的流动特性至关重要。此外，涡轮的关键部件，如叶轮、蜗壳和密封结构，均按照气动设计进行结构设计和制造，以满足高精度的要求。完成的装配过程确保了所有部件的对齐和适配，从而在运行过程中实现最佳性能。

为了确保测量的准确性，研究团队还对间隙进行了精确的测量。高精度的测量设备和先进的传感器技术被用于获取涡轮在不同间隙条件下的性能数据。这些数据不仅为模拟提供了重要的边界条件，也为后续的分析和优化提供了可靠的依据。实验过程中，涡轮测试包括四个主要阶段：启动、转速逐步提升、稳态运行和停机。系统布局如图12所示，涡轮的转速逐步提升至设计值40,000转/分钟，同时通过高精度的轴编码器实时监控转速变化。

在实验过程中，涡轮的入口压力由上游的S-CO?系统进行控制。通过调节入口压力，研究团队能够模拟不同工况下的流动特性，并评估间隙对涡轮性能的影响。此外，实验还涵盖了不同间隙条件下的流动场分析，以进一步揭示间隙对涡轮性能的具体作用机制。这些实验数据与CFD模拟结果的对比，不仅验证了模拟方法的可靠性，还为未来的涡轮设计和优化提供了重要的参考依据。

本研究的结果表明，间隙对涡轮性能的影响具有一定的规律性，即间隙大小与涡轮性能之间存在近似线性关系。这一发现为涡轮设计提供了重要的理论支持，使得设计人员能够在优化涡轮性能时，更加精确地控制间隙参数。此外，研究还强调了在实际应用中，必须综合考虑间隙对涡轮性能的影响，以确保系统的高效和稳定运行。

通过本研究，团队不仅验证了CFD模型的准确性，还为未来的研究提供了新的方向。研究结果表明，间隙的优化是提升S-CO?涡轮性能的关键因素之一，而结合实验和模拟的方法能够有效揭示间隙对涡轮性能的具体影响。这些研究成果为推动S-CO?涡轮技术的发展提供了重要的理论和实践支持，同时也为相关领域的研究提供了新的思路和方法。

总之，本研究通过实验和模拟的结合，深入探讨了间隙对百千瓦级S-CO?径向涡轮性能的影响。研究结果不仅验证了CFD模型的可靠性，还为未来的涡轮设计和优化提供了重要的参考依据。通过精确控制间隙，可以有效提升涡轮的等熵效率和质量流量，从而改善整个系统的性能和可靠性。这些发现为推动S-CO?涡轮技术的发展提供了重要的理论和实践支持，同时也为相关领域的研究提供了新的思路和方法。