超臨界二氧化碳渦輪發電機的設計及應用探討

李沛劍，郝小龍，宋滿存，田家義，王 學

(1. 海軍駐航天一院軍事代表室，北京 100076；2. 北京精密機電控制設備研究所，北京 100076)

超臨界二氧化碳渦輪發電機的設計及應用探討

李沛劍1，郝小龍2，宋滿存2，田家義2，王 學2

(1. 海軍駐航天一院軍事代表室，北京 100076；2. 北京精密機電控制設備研究所，北京 100076)

本文主要對超臨界二氧化碳的物性特點及使用超臨界二氧化碳為工質的渦輪發電機技術進行概述，提出基于超臨界二氧化碳為工質的渦輪機設計的主要技術難點，包括渦輪設計、動密封設計、潤滑設計及冷卻設計，并在此基礎上設計了渦輪機通過聯軸器拖動高速發電機的組合原理樣機；最后分別在氮吹試驗臺、超臨界二氧化碳布雷頓熱力循環系統上對渦輪發電機進行2種工質下的氣吹試驗，功率分別達到了12.6 kW和5.8 kW；通過試驗證實了超臨界二氧化碳渦輪發電機技術上的可行性，并為此種技術在船舶上的應用指明了方向。

超臨界二氧化碳；渦輪發電機；設計與應用

1 引 言

1.1 超臨界二氧化碳應用優勢

任何純凈物質根據溫度和壓力的不同，將呈現出氣體、液體、固體等狀態變化，在溫度高于某一數值時，任何大的壓力均不能使該純凈物質由氣相轉化為液相，此時的溫度被稱之為臨界溫度，在臨界溫度下氣體能被液化的最低壓力稱為臨界壓力，當物質所處的溫度高于臨界溫度、壓力高于臨界壓力時，該物質就處于超臨界狀態。二氧化碳作為一種常用物質，取材廣泛、無毒無污染、經濟安全，且其臨界溫度為31.2 ℃，臨界壓力為7.38 MPa，相對適中，在實際使用過程中極易達到超臨界狀態。在臨界點附近，其物性參數，密度、粘度、導熱系數及比熱容等會發生急劇變化，如圖1所示。

超臨界二氧化碳流體由于液體與氣體分界消失，是即使提高壓力也不液化的非凝聚性氣體。超臨界流體的物性兼具液體性質與氣體性質，其密度比一般氣體要大2個數量級，與液體接近，其粘度比液體小，擴散速度比液體要快2個數量級，所以具有較好的流動性和傳遞性能。臨界點附近急劇變化的物性參數，使其作為離心壓縮機工質，在壓縮過程中工質溫升極小，可有效降低壓縮機功耗，提高單級壓縮機增壓能力。將超臨界二氧化碳作為布雷頓熱力循環系統工質，亦可有效降低機組重量、減小設備體積、提高系統工作效率。

1.2 國外研究現狀

國外進行過超臨界二氧化碳原理樣機發電試驗的單位主要有美國桑迪亞國家試驗室[1 – 2]，截至已經前后有20 kW與120 kW級渦輪發電機進行過原理性試驗（見圖2和圖3），20 kW級渦輪發電機可以穩定運行在56 000 r/min工作轉速，120 kW級渦輪發電機可以穩定運行在75 000 r/min下，且渦輪發電機基本均采用同一種結構方案，即渦輪-發電機-壓縮機同軸一體化設計，渦輪采用向心式渦輪，壓縮機采用單級離心式壓縮機，支承軸承均采用氣浮箔片軸承。

2 設計難點

由于二氧化碳只能在壓力7.38 MPa，溫度31.2 ℃以上才能進入超臨界相，且熱力循環系統中熱源的溫度往往都達300 ℃以上，因此導致超臨界二氧化碳工質回路中往往同時存在高溫高壓。結合超臨界二氧化碳自身獨特的物性特點，對設計超臨界二氧化碳工質的渦輪發電機，尤其是渦輪機的設計來說具有一定的難度，以下將以總壓14 MPa，總溫200 ℃的超臨界二氧化碳循環工質為條件進行方案設計，并著重從渦輪機的渦輪設計、密封設計、潤滑設計及冷卻設計等方面進行論述。

2.1 渦輪設計

超臨界態是介于氣態與液態之間的第3種狀態，超臨界狀態下工質液相與氣相分界面消失，成為一種極其稠密的氣態物質，具有近似液體的密度與導熱系數，氣體的粘度與擴散性，將其作為透平機械中熱力循環的工質，其所攜帶的焓值要遠遠高于氣體焓值，能量損耗值又遠遠低于液體工質，因此應用超臨界二氧化碳作為循環工質，極具應用前景。但由于超臨界二氧化碳獨特的物性變化特點，其狀態變化特點又與理想氣體工質有較大區別，使得應用超臨界二氧化碳工質的渦輪機及壓縮機設計又具有一定的困難。國外公開報道的文獻中，一般適用于超臨界二氧化碳的渦輪結構形式都選用向心式渦輪，且結構中采用全周進氣方式，此種結構優點可以有效降低渦輪尺寸，提高渦輪比功率，且在進排氣方式上可以進行90°轉彎，但此種向心式渦輪的設計，須經過嚴格的氣動仿真再加以適當的結構優化才能符合超臨界二氧化碳運行特點。本研究中選用單級軸流沖動式渦輪結構，即渦輪葉型為對稱等截面結構形式，工作中渦輪葉片通過讓流體在其葉片結構中強迫拐彎而獲得動力，根據給定的氣源總壓總溫條件，采用亞音速斜切噴嘴局部進氣方式。此種渦輪結構形式，氣體焓降全部由渦輪前靜葉完成，將高溫高壓氣體焓全部轉變為高速氣體動能，高速氣體沖擊渦輪葉片，通過改變速度方向及大小將氣體動能轉換至渦輪軸功率。渦輪進排氣方式及渦輪靜動葉結構如圖4所示。

2.2 動密封設計

適用于高壓高溫介質的動密封結構形式有非接觸式與接觸式密封2種，在超臨界二氧化碳應用方面，國外大多選用非接觸式干氣密封結構形式。其主要工作原理是：動環表面開特定形狀與數量的螺旋槽，動環固定在渦輪轉子上并隨轉子同步旋轉，石墨靜環通過密封殼體安裝在渦輪殼體上，保持與殼體相對靜止的狀態，靜止狀態下石墨靜環通過密封殼體內彈簧作用與動環表面保持貼合，渦輪工作時動環隨渦輪轉子高速運轉，周圍環境中流體通過螺旋槽不斷被擠壓至槽底中心，氣體壓力升高，在動環表面與靜環接觸表面之間形成一厚度約3～10 μm薄膜層，隨即實現無接觸式密封，此種密封可以實現零摩擦功耗，零磨損量，由于密封副表面存在氣膜層，干氣密封在理論上必定存在著被密封介質通過氣膜層的徑向泄漏，通過合理的結構設計可以將泄漏量控制在系統許可的范圍內。

本渦輪機總體結構采用懸臂式轉子結構，即支承渦輪轉子的滾動軸承均位于渦輪盤的同一側（見圖5），工作過程中滾動軸承需要一定壓力與流量的

潤滑冷卻油，因此從流體工作空間上來劃分，渦輪機內部被分為2個獨立空間，超臨界二氧化碳腔與潤滑冷卻油腔；從動密封需求上來說，需要2道動密封，第1道密封主要隔離渦輪腔與軸承腔，渦輪腔中二氧化碳經由14 MPa，200 ℃超臨界狀態膨脹而來，壓力在7.5 MPa，溫度約170 ℃以上；軸承腔中存在壓力約1 MPa，溫度為常溫的32#透平機械油。第1道密封采用非接觸式干氣密封結構形式（見圖6）。第2道密封主要起隔離軸承腔內潤滑冷卻流體與外部常壓環境的作用，此處密封選用接觸式機械動密封即可滿足使用要求。接觸式機械密封依靠動環與靜環表面運轉過程中相互貼合保持端面密封，因此接觸式機械密封基本無泄漏，同時渦輪腔內潤滑冷卻流體也可以對機械密封的接觸端面進行沖洗和冷卻。

2.3 潤滑設計

由于超臨界二氧化碳工質的特點及渦輪機的懸臂式基本結構形式，渦輪盤的左側全部位于超臨界二氧化碳的高壓環境中，渦輪盤右側由于密封結構僅有部分表面處于高壓環境，因此總體上來說渦輪轉子承受一個較大的向右軸向力，此軸向力最終必須通過渦輪軸系中的支承軸承來承受，設計中軸系中軸承采用角接觸球軸承，背對背安裝方式，依靠兩角接觸球軸承所承受的軸向載荷抵消2個方向上軸向推力，軸承中的徑向游隙通過對軸承內側加壓縮彈簧方式進行消除（見圖7）。

為提高軸承工作壽命須對軸承進行冷卻散熱，本渦輪機方案中采用強迫冷卻潤滑，通過外接潤滑油箱向渦輪機內部通入冷卻流體，并通過殼體上回油孔實現回油形成循環，潤滑油在機殼內流動時，必須強制通過滾動軸承滾動體進行沖洗散熱。同時軸承腔中潤滑冷卻油可以對第2道接觸式機械動密封摩擦副進行潤滑散熱（見圖8）。

2.4 冷卻設計

工作中高溫高壓工質會通過渦輪機殼體不斷將熱量從進氣通道、渦輪腔傳導至渦輪機軸承腔外殼，導致軸承腔外殼溫度升高，惡化軸承工作環境；為避免工質熱傳導所產生的危害，在渦輪機外加冷卻水殼，殼內開冷卻水流道，通過外置水泵供水對渦輪機軸承腔外殼進行強迫散熱，降低軸承工作環境溫度（見圖9）。

3 試驗測試

3.1 渦輪發電機

為驗證渦輪機輸出性能，將渦輪機與額定功率25 kW的高速永磁發電機通過高速柔性聯軸器連接，發電機最高工作轉速可達36 000 r/min，聯軸器選用德國BKE15聯軸器，最高適用轉速80 000 r/min，最大傳遞扭矩15 Nm，渦輪機、發電機通過定位套筒加聯軸器實現定位連接，并固定至同一試驗平臺（見圖10和圖11）。

為驗證氮氣工質、超臨界二氧化碳工質下的渦輪機輸出性能，后續分別通過氮吹及超臨界二氧化碳工質對渦輪與發電機組合進行運轉試驗。

3.2 氮吹試驗驗證

搭建如圖12所示的氮吹試驗系統對渦輪發電機進行試驗考核，高壓氮氣源通過并聯14 MPa氣瓶供給，通過減壓閥減壓后經過電磁開關連接至渦輪入口前，渦輪入口前安裝有精度10 μm空氣過濾器，對通入渦輪腔中氮氣進行雜志過濾。發電機負載采用并聯電阻消耗電能，全程共進行5輪試驗測試，試驗數據見表1所示，在渦輪入口前壓力達2.5 MPa，渦輪對空排氣（背壓0.1 MPa），渦輪輸出轉速達19 000 r/min，輸出發電機功率12.6 kW。

表 1 渦輪發電機氮吹試驗數據Tab. 1 Nitrogen blowing test data of turbo generator

試驗過程中，發電機軸承采用油氣潤滑，渦輪機采用單獨輔助油泵進行32#透平機械油共給，渦輪機中干氣密封直接采用渦輪腔中氮氣作為潤滑介質，通過干氣密封泄漏至軸承腔中的微量氣體通過輔助潤滑油泵對外排空。

3.3 超臨界二氧化碳試驗

為驗證渦輪發電機在超臨界二氧化碳工質下的輸出性能，將渦輪發電機串聯至簡單布雷頓熱力循環系統中進行考核。熱力系統由高溫換熱器、低溫預冷器、渦輪發電機、活塞式壓縮機及測試控制系統組成。系統中預先充7.5 MPa以上二氧化碳，系統工作時壓縮機先對二氧化碳進行壓縮，壓縮后的二氧化碳再通過高溫換熱器進行等壓加熱至約200 ℃以上，高溫熱源采用加熱至200 ℃以上的高溫熱油，高溫熱油通過換熱器對二氧化碳進行熱交換升溫，高溫高壓二氧化碳通過渦輪進行膨脹做功，轉變為較低溫度較低壓力二氧化碳，最后經過預冷器將二氧化碳進行等壓放熱，溫度降至超臨界狀態附近再回至壓縮機入口，從而形成一個熱力循環；系統從外界吸收熱量轉換為渦輪軸功率，渦輪驅動發電機發出電能，從而實現熱力至電能的不斷轉換。試驗中主要采集4組數據進行分析，結果如表2所示，試驗過程中防止渦輪失速飛轉，需在渦輪發電機外加安全防護罩。

從上述試驗數據可以看出，入口壓力13.36 MPa，溫度191.7 ℃，排氣壓力7.74 MPa，溫度185.5 ℃時，渦輪發電機輸出轉速14 385 r/min，輸出功率5.84 kW，且渦輪發電機經過了多次長時間運轉工作考核，性能比較穩定，渦輪機設計方案可行。

4 結 語

通過超臨界二氧化碳渦輪機原理樣機的設計及帶發電機負載的試驗驗證，可以得出以下結論：從原理上驗證超臨界二氧化碳渦輪發電機的可行性，并以軸流沖擊式渦輪、干氣密封等技術為代表實現了超臨界二氧化碳工質的渦輪發電機成功穩定運行，輸出了5.8 kW的電功率。

燃氣輪機及蒸汽機等逐漸成為了艦船驅動的主要源動力[3 – 5]，燃氣輪機及蒸汽輪機除擁有較高的輸出功率優點外，也存在著體積龐大，做功后排出廢氣溫度高，燃料利用率低的缺點，因此在提高船用燃機工作效率的研究中，進行廢氣余熱回收一直是一個熱門的研究方向[6]。超臨界二氧化碳獨特的物性參數，廣泛的取材范圍及較容易實現的臨界點狀態，使得利用超臨界二氧化碳為工質的透平渦輪在體積重量及余熱回收利用領域極具研究與使用價值，也將成為船舶推進及其余熱重復利用等領域的首選技術。此外開發超臨界二氧化碳渦輪發電技術，亦可以對太陽能在艦船發電系統中的利用提供技術途徑與方案[7]。

表 2 渦輪發電機超臨界二氧化碳試驗數據Tab. 2 Supercritical carbon dioxide test data of turbo generator

[1]STEVEN A. W, ROSS F. R, MILTON E. V, et al. Operation and analysis of a supercritical CO2brayton cycle[J]. Sandia Report. 2010. 09

[2]THOMAS C, STEVEN W, JAMES P, et al, Performance characteristics of an operating supercritical CO2brayton cycle[J]. ASME, 2012. 12.

[3]史麟觀. 從LM2500+看簡單循環燃氣輪機的進展[J]. 艦船科學技術, 2002, 2: 10–15.

[4]侯戈, 晨仔. 漫談艦船的燃氣輪機[J]. 艦船科學技術, 2008, 7:64–68

[5]聞雪友. 艦船燃氣和蒸汽動力裝置的發展與展望[J]. 艦船科學技術, 1999, 4: 31–34

[6]周劍, 趙峰, 伏俊琨. 回收內燃機余熱的布雷頓循環分析[J].裝備制造技術, 2015, 03: 78–80.

[7]莫文火. 混合動力船舶發電系統的設計與研究[J]. 艦船科學技術, 2016, 2: 55–57.

The design and application of a supercritical carbon dioxide turbo-generator

LI Pei-jian1, HAO Xiao-long2, SONG Man-cun2, TIAN Jia-yi2, WANG Xue2

(1. Navy Deputy Office in CALT,Beijing 100076, China;2. Beijing Institute of Precision Mechanical and Electrical Control Equipment Beijing 100076, China)

This paper presents the key techniques of designing the turbo-generator operating with the supercritical carbon dioxide which possess distinctive material characteristics. The main technical difficulties of the turbomachine has been proposed, including the designs of turbo, seals, lubrications and cooling. On the basis of the discuss above a prototype turbogenerator had been constructed, then the turbo-generator tested with the nitrogen and supercritical carbon dioxide as the driving fluid respectively, and the power achieved 12.6 kW, 5.8 kW. At last the feasibility of the supercritical carbon dioxide turbo-generator has been affirmed through the experiments, and the application prospect of the supercritical carbon dioxide turbo-generator in the naval craft has been discussed.

supercritical carbon dioxide；turbo-generator；design and application

TK14

A

1672 – 7649(2017)09 – 0111 – 06

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.09.022

2016 – 11 – 08；

2017 – 01 – 10

李沛劍(1979 – )，男，工程師，主要從事機電專業方面的研究。