《The Journal of Supercritical Fluids》：A Thermal-Hydrodynamic Study of Lubrication and Sealing Performance in Dry Gas Seals with Potential Application to Supercritical Water Vapor Flow Fields
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马高峰|丁学行|丁俊华|王世鹏|王宇飞|姜安迪
兰州理工大学石化工程学院，中国甘肃省兰州市730050
摘要
为了研究超临界蒸汽涡轮机中轴端干气密封的热流体动力学行为和密封特性，本文开发了一个基于计算流体动力学（CFD）的超临界水蒸气（SCWV）干气密封膜的润滑模型。该模型系
马高峰|丁学行|丁俊华|王世鹏|王宇飞|姜安迪
兰州理工大学石化工程学院，中国甘肃省兰州市730050
摘要
为了研究超临界蒸汽涡轮机中轴端干气密封的热流体动力学行为和密封特性，本文开发了一个基于计算流体动力学（CFD）的超临界水蒸气（SCWV）干气密封膜的润滑模型。该模型系统地考虑了实际气体效应、离心惯性和湍流效应的耦合作用，能够分析不同运行条件下密封膜内的流场分布及密封性能的机制。结果表明：当入口压力从23 MPa增加到29 MPa时，开启力从126.6 kN增加到148.2 kN，而泄漏率从13.2 g/s增加到17.7 g/s；当入口温度从500 K增加到800 K时，开启力略微下降至131.5 kN，泄漏率显著降低至12.2 g/s。当转速从5000 rpm增加到30000 rpm时，开启力达到峰值178.3 kN，泄漏率降至最低值11.5 g/s，这表明转速对密封性能的影响最为显著。这些发现为SCWV干气密封的可靠性评估和优化提供了坚实的理论基础和技术指导。
引言
作为动力循环的核心部件，蒸汽涡轮机广泛应用于核工程以及能源和化工行业[1]，[2]。它们使用超临界水蒸气（SCWV，临界压力：22.129 MPa，临界温度：647.3 K）作为工作介质，从而在特定的热源温度范围内实现高的热机械转换效率。在第四届核反应堆国际会议上[3]，SCWV被评为六种最具潜力的高效第四代核反应堆绿色能源之一。与传统蒸汽和亚临界水蒸气相比，SCWV具有更高的焓值、更优的流动特性和更好的传热性能[4]，[5]，[6]，[7]。其热效率可达到约50%，相关技术也更容易采用和发展[8]。
尽管SCWV在能源系统中是一种绿色且高效的工质，但在超临界条件下运行的蒸汽涡轮机的效率却受到轴端密封的高度影响。目前，蒸汽涡轮机的轴端仍采用传统的静态密封[9]，[10]，[11]，[12]，[13]，[14]。由于这些密封的固有局限性，静态密封故障可能导致高达8%的热阻损失，进一步降低了蒸汽涡轮机的整体循环效率。作为非接触式轴端密封技术，干气密封在安全性、经济效益和运行稳定性方面优于任何其他应用于蒸汽涡轮机轴的密封方式[15]，[16]，[17]，因此被推荐用于蒸汽涡轮机的应用[18]，[19]。干气密封随轴高速旋转，密封间隙内的流动从层流转变为湍流。湍流不仅改变了密封面上的压力、温度和密度分布，还影响了开启力和泄漏率。此外，SCWV的高密度和低粘度特性导致热物理性质（如压缩比和比热容）发生复杂变化，从而在密封微流场中产生显著的实际气体效应和惯性力[20]，[21]，[22]。还可能发生相变和多组分凝结现象[23]。另外，SCWV在凹槽中的压力和温度升高，密封环的高速旋转可能导致热变形或不对中，进而引起密封面接触、热裂纹以及平整度和密封稳定性的下降。因此，设计和制造SCWV干气密封面临重大挑战。如果假设理想气体性质，对关键性能参数（如膜开启力和泄漏率）的预测可能会不准确。
SCWV和超临界二氧化碳（S-CO?）都被用作动力循环中的工作介质，它们相似的热物理性质便于进行理论上的相互比较。国际上关于S-CO?干气密封的研究已经相对成熟。Fairuz等人[18]，[24]利用计算流体动力学（CFD）模拟分析了S-CO?干气密封在临界点附近和远处的压力、温度和密度分布。通过耦合压力、温度和离心惯性的影响，他们评估了密封环的变形，并得出结论：在高气体密度下，离心惯性成为主导因素，显著降低了开启力。Ma等人[25]，[26]在不同物理耦合条件下，对S-CO?干气密封中的衍生螺旋槽和传统螺旋槽的膜压力分布及密封性能进行了比较CFD分析。他们的结果表明，衍生螺旋槽在开启力、泄漏率和气体膜硬度方面优于传统设计。Shen等人[27]，[28]数值研究了螺旋槽干气密封中的压力和温度分布，考虑了阻塞流、离心惯性和实际气体效应的影响。他们强调离心惯性对密封性能的影响更为显著，而实际气体效应则增加了出口压力、开启力、泄漏率以及挡板区域的马赫数和温度。Du等人[29]，[30]在ANSYS CFX中使用热流体结构相互作用方法比较了不同槽深的密封性能。他们的发现表明，CO?产生的平衡膜压力更高、开启力更大、泄漏率更高，平均面温度更低，并且对入口温度和压力的变化更为敏感。Yan等人[31]，[32]，[33]将湍流效应纳入雷诺方程，并使用Ng-Pan湍流模型和简化的能量方程来求解耦合流场，分析了湍流对不同运行条件下密封性能的影响，指出湍流会导致压力和温度分布的显著变化，这些变化在流场模拟中不可忽略。Thatte等人[34]实验观察到了S-CO?在临界点附近的多相凝结现象，指出在S-CO?干气密封的气体膜中可能发生从气态到液态甚至固态的相变。他们还指出，阻塞流和超音速条件会导致气体膜刚度和阻尼的强烈扰动，可能导致密封面不稳定。
目前关于超临界流体干气密封的流动和传热特性的研究主要采用两种方法：数值模拟和实验研究。数值模拟可以进一步分为基于雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）的方法、基于大涡模拟（LES）的方法和基于直接数值模拟（DNS）的方法。通过收集湍流场数据，数值方法能够有效分析超临界流体中的湍流流动和传热机制。另一方面，实验研究可以使用适当的传感器来测量不同运行条件下超临界流体的泄漏率。为了研究超临界蒸汽涡轮机中轴端干气密封的热流体动力学行为和密封性能，本研究开发了一个基于CFD的SCWV螺旋槽干气密封润滑模型。使用REFPROP[35]获取SCWV的热物理性质，并通过高精度插值进行拟合。然后用C语言编写的SCWV性质代码导入ANSys Fluent 2022 R1的用户定义函数（UDF）接口，以模拟SCWV气体膜的润滑行为并分析超临界运行条件下的相应密封特性。
部分摘录
理论模型
使用ANSYS Fluent基于质量、动量和能量的基本守恒定律，对SCWV干气密封螺旋槽内的气体膜流动进行了数值模拟。通过应用适当的边界条件，求解了耦合的控制方程，以表征气体膜的动态行为和密封性能。数值模拟使用ANSYS Fluent 2022 R1进行，该软件由ANSYS公司（美国宾夕法尼亚州Canonsburg开发）开发。这种方法能够详细评估...
原理验证测试
由于SCWV具有较高的临界压力和温度，在当前的实验条件下难以满足SCWV干气密封的测试要求，目前文献中尚未解决这一问题。因此，本文采用S-CO?干气密封的测试来间接和理论上验证SCWV干气密封模拟方法的正确性。原因如下：S-CO?和SCWV都属于超临界流体，具有高度相似的物理特性...
结果与讨论
随着密封环内的水蒸气从超临界状态转变为非超临界状态，实际气体效应变得越来越显著。结合转子环的高速旋转，SCWV会受到强烈的离心惯性和湍流效应的影响。预计这三种现象的相互作用会对气体的密封性能产生重大影响。为了研究这些效应对SCWV干气密封气体膜动态和整体密封性能的影响，进行了数值...
结论
本研究基于CFD理论，开发了一个考虑实际气体、离心惯性和湍流效应的SCWV干气密封气体膜润滑模型。对SCWV干气密封的气体膜流动场分布和密封性能进行了系统分析，研究了关键运行参数如何影响这些特性。研究的主要结论如下：
（1）提高转速会增强离心惯性效应和动态...
资助
本研究得到了中国甘肃省大学教师创新基金（编号2026B-286）的资助。
CRediT作者贡献声明
姜安迪：软件、形式分析。王宇飞：验证、软件、调查。马高峰：撰写——原始稿件、软件、数据管理、概念化。丁俊华：验证、调查、形式分析。丁学行：监督、资源管理、数据管理。王世鹏：撰写——审稿与编辑、方法论、调查、概念化。
致谢
本工作得到了中国甘肃省大学教师创新基金（编号2026B-286）的财务支持。
