具有密封结构的超临界二氧化碳离心压缩机特性研究

超临界二氧化碳(SCO

)是CO

工质在超过临界点(7.38 MPa,31 ℃)的物理状态。在该状态下,SCO

具有高密度、低黏度和低压缩系数的特点,同时SCO

性质稳定、无毒、易获取,因而SCO

布雷顿循环系统安全,经济性显著

。相比于典型空气介质压缩机,SCO

压缩机具有耗功少、结构紧凑的特点

。SCO

压缩机气动性能、轴向推力和叶轮强度研究是其设计研发的基础,具有优良性能的SCO

压缩机是保证SCO

布雷顿循环安全高效运行的关键

。

科研人员对于SCO

压缩机设计和气动性能分析方面开展了研究。Rinaldi等

采用数值方法研究了SANDIA实验室的SCO

离心压缩机的气动性能,数值预测的等熵效率与试验结果吻合较好,但是在低流量系数下,由于喘振而不能很好地预测。Ameli等

通过采用不同精度的物性表对于SANDIA实验室的SCO

离心压缩机的数值研究表明:高精度的物性表可以得到更准确的性能预测,但是由于SCO

在临界点附近物性的剧烈变化导致数值计算难以收敛,可以用低精度物性表计算得出的结论作为初场来提升高精度物性表计算的稳定性。郑宽宽等

数值分析SCO

压缩机的变工况性能指出:在设计工况下由于流动加速,在离心叶轮的前缘和尾缘的压力下降导致流体处于气液两相区。Lee等

指出CO

物性在临界点附近的剧烈变化,以及低压比压缩机小的等熵焓升放大了效率计算的误差是SCO

压缩机性能不确定性的主要原因。Hosangadi等

通过CO

物性及采用当地压力与饱和压力插值的方法,研究了近临界条件下凝结流动对SCO

离心压缩机气动性能的的影响。曹润等

通过对其设计的150 kW的SCO

离心压缩机气动性能分析,指出SCO

的物性表精度对于计算的稳定性和准确性具有较大影响。离心叶轮叶顶间隙流动泄漏流降低了SCO

离心压缩机的气动性能影,造成了约14%的气动性能下降。Ameli等

提出了结合焓损失模型和级效率修正方法的平均流线方法来设计SCO

离心压缩机,并在一维设计中引入了摩擦损失方法,研究指出在近临界点附近SCO

物性的准确计算可以获得更加可靠的离心压缩机性能。Monge等

提出了可以采用AMC这一指标来避免前缘凝结发生,但是可能会导致压缩机效率下降。

叶轮轮毂侧的盘腔内的流动对整体的气动性能和轴向推力都有重要影响。王晟旻等

通过对包含轮盘及轮盖密封内的流场分析,发现迷宫密封的沟槽与高低齿结构可以有效地减少泄漏量。谭佳健等

通过试验研究了小流量压缩机的叶轮盖侧和盘侧间隙的静压分布以及叶轮轴向推力,结果表明叶轮盘侧间隙和盖侧间隙静压分布随半径增大呈线性分布,叶轮主推力随着流量的减少而增大,但在近喘振点会有所减少。徐立群等

用数值模拟的方法研究了考虑迷宫密封后的叶轮性能,发现叶轮的等熵效率随着密封泄漏损失系数的增大而减少,叶轮的等熵效率与密封的泄漏损失之间呈线性关系。Younsi等

研究了空气介质的离心压缩机轴向推力影响特性,指出作用在轮毂前面和背面的轴向力是准确评估离心压缩机整体轴向推力的基础。Sun等

数值研究了盘腔内的流动对于压缩机性能的影响,结果表明在盘腔中周向速度是主导速度,盘腔内的泄漏会造成效率下降,以及压比稍微小幅降低。Baldassarre等

通过试验和数值模拟的方式开发了一维软件用以求解离心压缩机表面径向压力梯度以及作用于转子的总轴向推力,结果表明一维预测与试验和数值模拟结果具有一致性。Guidotti等

通过数值验证和试验表明,具有盘腔结构的数值模拟可以更好地捕捉离心压缩机的整体性能以及流场特征,SCO

离心压缩机盘腔内的流动会对其整体气动性能以及轴向推力产生显著影响。根据Fuller等

推荐在小型离心压缩机中采用气体箔轴承,以及Wright等

发现在SANDIA实验台上滚珠轴承的寿命比较短,因而必须采用气体箔轴承或者电磁轴承等低承载能力的轴承。采用这类轴承需要对SCO

离心压缩机的推力进行良好地平衡,而SCO

离心压缩机通常在高转速、高负荷下运行,因此对具有盘腔和密封结构的SCO

离心压缩机性能分析对其设计具有重要意义。

相比于常规压缩机,SCO

离心压缩机由于其小体积及工质的高密度,因而盘腔内的泄漏损失和鼓风损失较大。然而,目前SCO

离心压缩机性能的分析和预测基本没有考虑盘腔泄漏对其性能的影响。本文针对150 kW级的SCO

离心压缩机进行了盘腔和迷宫密封设计,迷宫密封采用了可磨损静子件及阶梯转子件结构,并采用数值求解三维RANS方程和高精度的SCO

物性方法对具有盘腔和密封结构的SCO

离心压缩机进行了气动性能和轴向推力计算,结合气动计算得到的离心叶轮的气动力和离心力,完成了离心叶轮的应力应变分析,得到了设计的迷宫密封的应变。研究工作可为SCO

离心压缩机设计和分析提供参考。

1 计算模型介绍

图1给出了不包含迷宫密封结构的150 kW SCO

离心压缩机叶轮的几何模型及其子午流道图

,盘腔出口处的直径初步定为26 mm,倾斜段是密封安装位置。表1列出了150 kW SCO

离心压缩机主要几何参数。

采用NUMECA数值求解三维RANS方程,动静叶之间采用混合平面的交界面设置。进口给定总温305.15 K和总压7.69 MPa,主流出口给定质量流量3.6 kg/s,叶轮转速为6×10

r/min。考虑到计算的稳定性,在盘腔出口处给定静压,通过静压的变化来调节盘腔的泄漏流量。离心叶轮两侧给定周期性边界条件,固体壁面设置为绝热无滑移边界。计算采用

-

湍流模型,文献[12]给出了数值方法验证。当残差降低到10

以下或者进出口的质量流量差在1%以内时,认为计算达到收敛条件。

=

-

-

(1)

作用在叶轮前表面上的推力主要由轮毂面和叶片上的压力在轴向面积分得到。

可由下式计算获得

(2)

上文分析了在无密封结构时,包含盘腔结构的SCO

压缩机性能。在真实运行条件下如果盘腔出口直接和电机腔室相连,会增加电机腔室内的压力,使电机腔室内的鼓风损失增加。在盘腔出口和电机腔室中间采用密封可以降低电机腔室内的压力,降低盘腔的泄漏量,提高效率。

(3)

(4)

在文献[6,20]中均有关于压缩机效率的定义。文献[6]中等熵效率定义为

=(

-

)

(

-

)

(5)

文献[20]中等熵效率的定义式为

4.税务局的信息化建设应继续加强。税务局应加强信息化建设，尽快普及个人通过微信、支付宝、网上电子税务局等途径代开发票，这样可以省去必须到税务局代开发票的麻烦，支付方凭借打印的电子发票即可进行税前扣除。

(6)

由于整体的泄漏量较低,可以近似忽略克服流动损失所需要的压力梯度。此时,盘腔内由于存在周向速度,在径向上产生了压力梯度,当盘腔泄漏量小时,周向速度小,压力梯度小,压力下降速度慢,盘腔侧推力大;盘腔泄漏量大时,周向速度大,压力梯度大,压力下降速度快,盘腔侧推力小。这也与图7中压力分布规律保持一致。

=(

-

)

(7)

式中:

为假定等熵状态下的出口总焓;

为进口总焓;

为主流出口的质量流量;

为离心压缩机的扭矩;

为叶轮的转速。

本组25例患者根据AHA标准进行冠状动脉分段，共分为339段，可用于MSCT评估的为321段，占比94.69%。经CAG显示，本组25例患者冠状动脉无狭窄率71.98%，狭窄度≥70%者占比15.04%，狭窄度50%～70%者占比5.01%，狭窄度＜50%占比7.96%。见表1。

图6给出了不考虑倾斜段密封时,SCO

离心压缩机轴向推力随盘腔出口无量纲泄漏量变化规律。由图6可知,不考虑倾斜段密封时,在较大的盘腔无量纲泄漏量变化范围内,轴向推力均小于2 kN,说明盘腔出口处的直径定为26.0 mm可以满足压缩机的轴向推力需求。

本文定义SCO

离心压缩机的流量系数和总压比为

在这样的发展背景下，多机分布式系统应运而生，其主要特点是功能分布性、地域分散性。在多机分布式系统中，各机组状态量和各系统智能处理单元都可以独立进行数据的采集、计算和处理，减轻了中央计算机的负担。同时各子系统和智能单元往往可以通过网络与上位机系统通信，使得该系统具有诸多优点，如共享性强、监测容量大、覆盖面广、抗故障能力强、便于集中管理等。水轮发电机组多机分布结构主要由监测系统现地单元、状态监测历史站、状态监测系统局域网、状态监测操作人员、专家系统分析站以及远方专家系统分析站等组成，能更加准确、更加及时地完成各工况下机组的监测和故障诊断与定位，弥补了传统单机式集中控制监测系统的不足。

(8)

=

(9)

式中:

为压缩机进口的质量流量;

为进口的工质密度;

为叶轮出口的轮缘速度;

为离心压缩机出口总压;

为离心压缩机进口总压。

2 数值方法和验证

离心压缩机叶轮轴向推力由作用在叶轮轮毂面及叶片上的推力(

)、作用在盘腔面的推力(

)以及作用在密封面的推力(

)组成。定义沿压缩机气流进气方向为正,离心压缩机的轴向推力为

图2给出了包含盘腔结构的SCO

离心压缩机计算网格。图3给出了盘腔出口静压为11 MPa,网格数分别为212.81万、271.36万和363.89万时得到的SCO

离心压缩机的轴向推力。由图3可知,当网格数为271.36万时,轴向推力的计算具有网格无关性,因此本文的计算网格数采用271.36万,其中叶轮部分的网格数为190.96万,扩压器部分的网格数为36.43万,盘腔的网格数为43.97万。SCO

的物性在临界点附近变化剧烈,为了增加计算的稳定性,需生成物性表对临界点附近的物性进行插值计算,物性表精度会影响到计算的准确性。

顶空气相色谱法同时测定硫酸沃拉帕沙原料药中7种有机溶剂的残留量 ………………………………… 刘 英等（16）：2224

图4给出了离心叶轮的轴向推力随物性表精度的变化规律,可以发现当物性表精度为200×200时,推力已经实现了物性表无关性,考虑到文献[12]中效率的物性表无关性验证的结果,采用400×400精度的物性表可以得到较为准确的结果。

3 无密封结构SCO2离心压缩机性能

3.1 气动性能

定义盘腔出口的无量纲泄漏量为盘腔出口泄漏量占主流流量的百分比。图5给出了SCO

离心压缩机的等熵效率和压比随盘腔出口无量纲泄漏量的变化曲线,无量纲泄漏量为0时是不考虑盘腔泄漏流时压缩机的性能。由图5可知:随着盘腔出口无量纲泄漏量的增大,SCO

离心压缩机的等熵效率近似线性下降;不考虑密封结构时,1%的盘腔泄漏量的增加会导致约0.73%等熵效率的下降;盘腔出口无量纲泄漏量增加时也会导致压缩机的总压比降低,控制盘腔泄漏量是保证SCO

离心压缩机高气动效率的关键。

3.2 轴向推力

后文的等熵效率计算均采用式(7)进行。

一是操作程序的冲突问题。《民事诉讼法》《人民调解法》《最高人民法院关于人民调解协议司法确认程序的若干规定》和《最高人民法院关于适用〈中华人民共和国民事诉讼法〉的解释》相关条款的规定，申请人民调解协议司法确认，双方当事人应当在达成调解协议后30天内，共同向人民法院提出申请；法院收到当事人的申请后，进行立案审查，在3日内决定是否受理；法院受理当事人的申请后，应当指定一名审判人员对调解协议进行审查。根据上述规定，司法确认程序的启动，是调解程序完成之后，审查确认工作也在法院受理后进行。“一站式”司法确认机制，在当事人申请司法确认之间即提前介入调解程序，与现行法律和司法解释的规定产生了冲突。

由式(1)～(4)可知,离心压缩机的轴向推力与盘腔面和轮毂面的压力分布有关。图7给出了在无量纲泄漏量为8.1%和1.5%工况下,盘腔面和轮毂面的周向平均静压沿无量纲半径方向的分布规律。从图7中可知,在设计工况下,不同的盘腔泄漏量对轮毂面的压力分布规律几乎没有影响。在扩压器出口质量流量不变时,高的盘腔泄漏量会增加进入叶轮的流量,增加叶轮的负荷,导致离心叶轮出口压力略有下降,但是下降不明显。从图7中还可以看出,高的盘腔泄漏量会增加盘腔面的压力下降速度,从而引起盘腔面的推力下降,整体的正向推力增加。

3.3 盘腔流场

图8给出了3种不同盘腔泄漏量时SCO

离心压缩机盘腔流场型态。图8(a)为

-

平面为观察位置。由于盘腔的径向延伸段较窄,为了方便观察盘腔径向延伸段内的流动规律,图8(b)、8(c)、8(d)的左下角将盘腔径向延伸段沿轴向延伸10倍来观察盘腔内的流动规律。

由图8可知,盘腔进口段的流动型态主要由受到主流影响而在进口处产生的回流涡、受到转角的影响产生的回流涡、转静盘腔内的固有的结构涡,以及盘腔内的泄漏流流动组成,其中转角处的回流涡和转静盘腔固有的结构涡,由于处在同位置且同方向,因而叠加成了一个复合涡。

当盘腔无量纲泄漏量为1.5%时,转角处的回流涡和转静盘腔固有的结构涡所形成的复合涡几乎占据了整个盘腔的径向段。当盘腔无量纲泄漏量为3.2%时,该涡的后半段开始向动壁面移动,涡的发展受到压制,而当盘腔无量纲泄漏量为8.1%时,该涡进一步受到压制,盘腔径向段出口位置的涡流基本消失。盘腔内的流动型态改变主要与泄漏的质量流量有关,随着出口压力的降低,泄漏量增大,较大的泄漏流压制了复合涡的发展。

PDCA循环法与鱼骨图、甘特图等工具的联合应用，能够更加客观、直接地反映质量管理过程中发现的问题和改进进度及效果，已广泛应用于药事管理中，如不良反应的报告监测、处方质量改进等[9-11]。而本次实践工作也检验了其在优化住院药房药品调剂流程中所能发挥的重要作用。同时，PDCA循环法能调动参与者的主动性，在此次PDCA项目进行过程中，项目组鼓励所有相关人员都参与到药品调剂流程优化的循环进程中，而这也是本项目能够顺利完成的重要原因之一。

取盘腔径向段进口处的无量纲位置为0,盘腔径向段出口处的无量纲位置为1,具体位置在图8(a)中标出。用叶轮出口的轮缘速度对盘腔内沿着轴向平均的周向速度进行无量纲化,得到平均的无量纲周向速度沿着无量纲径向的分布规律,如图9所示。由图可以发现,当盘腔的无量纲泄漏量为8.1%,此时由于盘腔内的涡流较小,盘腔内的周向速度主要受到角动量守恒的影响,随着流动的发展,周向速度逐渐增加,而当盘腔的无量纲泄漏量为1.5%时,受到盘腔内涡流的影响,周向速度呈下降的趋势。

显然式(5)没有考虑盘腔内的泄漏损失和鼓风损失,式(6)只适用于理想气体研究,均不适用于本文的研究。由于SCO

的物性明显偏离理想气体,考虑盘腔泄漏损失以及盘腔鼓风损失,综合式(5)和式(6)得出基于热力学公式定义的SCO

离心压缩机的等熵效率计算式为

4 有密封结构的SCO2离心压缩机性能

作用在盘腔面和密封面的轴向推力由式(3)和式(4)计算得到

泡脚可以起到温经散寒、疏通气血、调整脏腑功能的作用。坚持热水泡脚足疗的应用范围很广，风湿病、脾胃病、失眠、头痛、感冒等全身性疾病，截瘫、脑外伤、中风、腰椎间盘突出症、肾病等大病、重病后的康复治疗等等都包括在内。

为减小盘腔泄漏量,提高SCO

离心压缩机性能,则应尽量增加密封腔室数和减少密封间隙,同时考虑到加工和强度等因素,轴向的长度不应过长,如图1所示,密封的轴向距离限制为

。本文密封设计采用了浮动可磨损密封静子件和阶梯金属齿的转子设计来减小密封件的磨损和降低泄漏量。图10给出了所设计的密封结构,密封的工作间隙为0.05 mm。表2列出了所设计的密封结构的几何尺寸。图11给出了密封结构的计算网格,包含压缩机在内数值计算网格总数为377.62万,收敛条件与上文相同,其中压缩机进口给定总温305.15 K,总压7.69 MPa,密封出口的设计静压为2.0 MPa,即为电机腔室内的压力。SCO

离心压缩机的出口给定流量边界条件,两侧给定周期性边界条件,所有固体壁面给定绝热无滑移边界条件。

4.1 气动性能

图12和图13分别给出了不同流量系数下考虑和没有考虑盘腔和密封结构的SCO

离心压缩机的性能。

冻脸效应：加州大学和哈佛大学的心理学家发现，人们会认为视屏中的人比同一个视屏中的截图更好看。研究者把这种静态脸相对动态脸没那么有吸引力的现象称为“冻脸效应(the frozen effect)”。

近大流量工况时,可以发现SCO

离心压缩机等熵效率较为接近。一方面由于加入密封结构后,如图14所示,无量纲泄漏量随着流量系数的增加逐渐下降,因而流动的泄漏损失逐渐减少。另一方面,由于盘腔泄漏降低了在扩压器轮毂面附近流动径向速度,因而增加了扩压器进口的气流角,改善了扩压器进口的流动情况。NUMECA中可以利用干度来评估凝结,当干度低于1时说明发生凝结,如图15所示,图中的灰色区域表示发生凝结的区域。由图可以发现.当考虑盘腔和密封结构时,扩压器前缘发生凝结的区域明显缩小,盘腔泄漏改善了大流量工况下扩压器内的流动结构。

图12和图13的对比结果可以发现,考虑了盘腔及密封结构后,SCO

离心压缩机的压比几乎保持不变,但是等熵效率明显下降。保证出口质量流量不变,在设计工况下等熵效率从73.2%下降为72.1%,而压比仅从2.2下降到2.19。在盘腔及迷宫密封结构中有着较大的鼓风损失以及泄漏损失,因而在设计工况下等熵效率下降明显。由于泄漏流离开叶轮,以及泄漏量较小,因而泄漏流对主流的影响很小。因此,即使加上盘腔和密封结构,SCO

离心压缩机的压比基本不变。

4.2 轴向推力

图16给出了SCO

离心压缩机的轴向推力和盘腔的泄漏量随流量系数的变化曲线,随着流量系数的增加,盘腔的泄漏量减少,但是变化的绝对值并不明显。SCO

离心压缩机轴向推力基本维持在1～2 kN之间,SCO

离心压缩机的轴向推力最大值为1.635 kN,各个工况下推力方向保持一致,且指向进口方向。根据文献[25]可知,所设计的SCO

离心压缩机轴向推力满足要求。

图17给出了SCO

离心压缩机的轮毂面和盘腔面平均周向压力分布,随着流量系数的增加,在SCO

离心压缩机的轮毂面和盘腔面的压力具有下降的趋势。在不同流量系数下,由于泄漏量变化不大,因而盘腔内的流动情况类似,压力梯度基本保持一致,轴向推力在较小的范围变化。

4.3 SCO2离心压缩机离心叶轮强度特性

SCO

离心压缩机工作在高转速和高负荷下,需要对离心叶轮的强度进行校核,以确保SCO

离心压缩机安全运行。同时,由于密封间隙较小,应分析密封侧的形变以预测是否发生碰磨。采用数值计算软件Workbench对SCO

离心压缩机进行强度校核。图18为SCO

离心叶轮的强度计算网格,其中在叶片根部和盘腔根部增加了圆角来降低应力集中,在圆角处的网格均进行了加密来保证计算精度。数值计算的网格节点数为3 357万。叶轮表面根据气动的数值计算结果给表面压力,叶轮整体给定6×10

r/min的转速,在叶轮的连接处给定固定支撑的边界条件。离心叶轮的材料是304钢。

图19给出了设计工况下SCO

离心压缩机离心叶轮表面等效应力云图。离心叶轮表面在吸力面尾缘的根部处等效应力最大,为50.2 MPa,而叶轮整体应力最大的位置位于盘腔面的根部,为109.95 MPa。表面等效应力在设计工况下达到最大值。在相同转速下,不同流量系数对于SCO

离心压缩机离心叶轮表面应力分布和大小的影响不明显。根据等效应力分布可以得出SCO

叶轮的形变分布,图20给出了设计工况下SCO

叶轮总体形变以及密封齿处的形变,总体形变的最大值为13.8 μm,形变量大致沿着半径方向增大。在密封齿处的最大形变不超过3 μm,小于密封工作间隙0.05 mm。

综上所述，经阴道彩色多普勒超声可作为子宫内膜病变诊断的首选方式，能为宫腔镜检查提供诊断依据，对其检查无异常但症状持续者或疑似子宫内膜病变者可行宫腔镜检查，以提高诊断符合率。

(3)在研究方法上，现有研究主要使用探索性的理论分析，实证分析和案例分析使用较少。需要指出的是，实证分析能对理论研究起到深化和补充作用，有些内容，例如内创业绩效，使用实证分析才能彻底理顺内创业绩效的影响因素及因素之间的相互关系；而对于某一具体对象的案例分析更具有客观性。

5 结 论

完成了150 kW级简单布雷顿循环SCO

离心压缩机的迷宫密封结构设计,采用数值方法研究了具有盘腔和迷宫密封结构的SCO

离心压缩机气动性能和强度特性,得出如下结论。

(1)在设计工况下,具有盘腔和密封结构SCO

离心压缩机的等熵效率为72.1%,压比为2.19,且在变工况的情况下运行良好。

(2)SCO

离心压缩机盘腔内的泄漏损失和鼓风损失会导致SCO

离心压缩机的气动性能下降。在大流量工况的情况下,盘腔泄漏会降低扩压器内的径向速度,增大气流角,减轻因流动加速而导致的压力下降,从而减少发生凝结的区域,改善扩压器内的流动。

(3)所设计的具有盘腔和密封结构的SCO

离心压缩机的最大轴向推力为1.635 kN。流量系数对于轴向推力影响较小,当流量系数在9.53×10

～14.89×10

区间时,轴向推力在1～2 kN之间,方向均指向进口方向,不会出现推力波动现象。

（1）防止二次污染。在经济技术适用性满足常州市河道清淤特点的前提下，比选并引进国内外先进的清淤技术和设备，多进行试点，推广环保清淤。同时开展对河道底泥的分析研究，制定出有针对性的疏浚底泥后续处理的方法，防止二次污染的发生。

(4)在设计工况下,离心叶轮最大表面等效应力达到最大值,为109.95 MPa,满足设计材料304钢的需求。流量系数对于等效应力大小和等效应力的分布影响不大,迷宫齿的最大形变低于3 μm,该形变量小于密封间隙0.05 mm。

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