能源與環(huán)境問題日益成為制約全球發(fā)展的關(guān)鍵因素，航空航天領(lǐng)域作為高端裝備制造業(yè)的核心，對高效、緊湊、清潔的動力系統(tǒng)需求尤為迫切。超臨界二氧化碳（sCO?）動力循環(huán)技術(shù)因其獨特的熱力學特性和工程優(yōu)勢，近年來成為國際能源與動力領(lǐng)域的研究熱點。與傳統(tǒng)動力循環(huán)相比，sCO?動力循環(huán)在熱效率、功率密度和環(huán)境適應(yīng)性等方面展現(xiàn)出顯著潛力，特別是在航空發(fā)動機、空間動力和艦船動力等國防科技領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。本文將從其技術(shù)特點、在航空發(fā)動機中的作用、工作原理、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及所能解決的關(guān)鍵問題等方面進行詳細闡述。

一、sCO?動力循環(huán)的技術(shù)特點與基本原理

超臨界二氧化碳動力循環(huán)是一種以超臨界狀態(tài)的CO?作為工質(zhì)的熱力循環(huán)系統(tǒng)。當二氧化碳被加壓至7.38兆帕、加熱至31℃以上時，會進入一種超越氣態(tài)和液態(tài)特性的"超臨界態(tài)"。此時，二氧化碳兼具高密度（接近于液體）和低粘度（接近于氣體）的特性，擴散系數(shù)約為液體的100倍，具有流動性強、傳熱效率高、可壓縮性小等特點。

sCO?動力循環(huán)主要包括閉式布雷頓循環(huán)、用于余熱回收的朗肯循環(huán)和以純氧直燃為核心的半開式布雷頓循環(huán)（Allam循環(huán)）三大類。系統(tǒng)主要由壓氣機、熱源、渦輪、換熱器、控制系統(tǒng)、密封系統(tǒng)等組成。其最顯著的技術(shù)特點是循環(huán)過程中壓氣機壓縮功只占渦輪輸出功的30%，相對于氦氣輪機循環(huán)的45% 和燃氣輪機循環(huán)的50%～60%，具有明顯的功率密度優(yōu)勢。

sCO?動力循環(huán)的工作原理是：超臨界二氧化碳經(jīng)過壓氣機升壓后，利用換熱器將工質(zhì)等壓加熱，然后進入膨脹機做功，帶動發(fā)電機發(fā)電，最后工質(zhì)進入冷卻器恢復到初始狀態(tài)，再進入壓氣機形成閉式循環(huán)。整個過程中二氧化碳都處于超臨界態(tài)，沒有相變，做功能力強。

二、sCO?動力循環(huán)在航空領(lǐng)域的關(guān)鍵作用

在航空發(fā)動機領(lǐng)域，sCO?動力循環(huán)技術(shù)正在引發(fā)革命性的變革，其主要應(yīng)用價值體現(xiàn)在以下幾個方面：

2.1 熱管理與熱防護

高超音速飛行器在高速飛行時面臨嚴峻的熱環(huán)境，受氣動加熱、內(nèi)部設(shè)備散熱、推進系統(tǒng)散熱等多因素耦合影響。sCO?閉式布雷頓循環(huán)為解決這一挑戰(zhàn)提供了創(chuàng)新方案。研究人員提出了一種應(yīng)用于航空發(fā)動機熱防護、以超臨界CO?為工質(zhì)的閉式布雷頓冷卻循環(huán)方案。研究表明，回熱循環(huán)能夠提高系統(tǒng)熱效率約4%，但熱沉利用率降低50%；間冷循環(huán)能夠降低系統(tǒng)熱沉消耗8%，但會導致系統(tǒng)總質(zhì)量增大。超臨界CO?簡單循環(huán)被證明是最符合發(fā)動機中間工質(zhì)冷卻循環(huán)工作需求的循環(huán)結(jié)構(gòu)。

2.2 緊湊高效的動力轉(zhuǎn)換

sCO?動力循環(huán)具有高功率密度的明顯優(yōu)勢，可廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動機、無人機、靶機、eVTOL等飛行器的燃油、潤滑、冷卻系統(tǒng)中。由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，體積僅為普通水蒸氣機組的1/25大小，非常適合對空間和重量要求苛刻的航空應(yīng)用場景。在600℃溫度下，sCO?發(fā)電效率比蒸汽機組高3～5個百分點，這一優(yōu)勢在航空動力系統(tǒng)中尤為重要。

2.3 余熱回收利用

航空發(fā)動機尾氣余熱回收理論發(fā)電量在500kW～2MW區(qū)間，余熱溫度為500～600℃。sCO?動力循環(huán)在余熱回收領(lǐng)域具有顯著優(yōu)勢，熱源溫度低時，sCO?朗肯循環(huán)將比布雷頓循環(huán)獲得更高的循環(huán)效率。中國航發(fā)湖南動力機械研究所開發(fā)了渦軸發(fā)動機排氣余熱回收的百千瓦級sCO?閉式布雷頓循環(huán)的原理樣機，并實現(xiàn)設(shè)計轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)，突破了高功率密度壓氣機、輕質(zhì)高效緊湊換熱器、旋轉(zhuǎn)動密封等關(guān)鍵技術(shù)。

三、國內(nèi)外sCO?動力循環(huán)相關(guān)研究工作

超臨界二氧化碳動力循環(huán)技術(shù)的發(fā)展離不開全球科研機構(gòu)和企業(yè)的持續(xù)投入，國內(nèi)外已形成多維度、多層次的研究格局，推動著技術(shù)不斷進步。

3.1 國際研究進展

美國在 sCO?動力循環(huán)研究領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，其能源部（DOE）自2000年左右起就在核能、太陽能及化石燃料 sCO?動力循環(huán)開展系統(tǒng)性部署。2004年，麻省理工學院（MIT）率先系統(tǒng)地研究了 sCO?閉式循環(huán)在核能中的應(yīng)用，為后續(xù)研究奠定了理論基礎(chǔ)。

桑迪亞國家實驗室作為美國 sCO?技術(shù)研發(fā)的核心機構(gòu)，于2011年公布了世界第一套 sCO?閉式循環(huán)樣機，首次證明了 sCO?動力循環(huán)系統(tǒng)的完整運行能力，包括起動、加速、發(fā)電和關(guān)閉等關(guān)鍵過程的可控性。該實驗室 2012 年發(fā)表的研究成果詳細闡述了 sCO?布雷頓循環(huán)的性能特征，指出其在中等熱源溫度范圍內(nèi)的高轉(zhuǎn)換效率、緊湊尺寸和潛在的材料經(jīng)濟性優(yōu)勢。

歐洲國家也積極開展 sCO?動力循環(huán)研究。英國、德國、芬蘭等國在不同應(yīng)用領(lǐng)域推進技術(shù)研發(fā)，重點關(guān)注系統(tǒng)集成和關(guān)鍵部件優(yōu)化。例如，德國在航空發(fā)動機余熱回收應(yīng)用方面開展了多項研究，探索sCO?循環(huán)與燃氣渦輪的結(jié)合方式。

亞洲國家中，日本和韓國在 sCO?技術(shù)研發(fā)方面表現(xiàn)活躍。日本東京工業(yè)大學、韓國先進科技研究所已研制出小功率級別的示范樣機，主要集中在太陽能熱發(fā)電和工業(yè)余熱回收領(lǐng)域，為技術(shù)產(chǎn)業(yè)化積累了寶貴經(jīng)驗。

國際航空企業(yè)也認識到 sCO?技術(shù)的潛力。GE航空航天對 sCO?動力循環(huán)與當前主流動力循環(huán)的應(yīng)用領(lǐng)域及熱效率進行了系統(tǒng)對比，明確了 sCO?循環(huán)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用前景。雖然 GE 的 RISE 項目主要聚焦可持續(xù)燃料，但也為 sCO?技術(shù)與航空發(fā)動機的結(jié)合提供了技術(shù)參考。

3.2 國內(nèi)研究進展

國內(nèi)中國航發(fā)湖南動力機械研究所（中國航發(fā)動研所）、西安熱工研究院、中國科學院工程熱物理研究所、中國核動力研究院等也開展了系統(tǒng)的示范搭建。中國科學院工程熱物理研究所完成了國內(nèi)首次MW級sCO?閉式循環(huán)離心式壓縮機多進口工況全載實驗，最高實驗轉(zhuǎn)速32,000 r/min，質(zhì)量流量約13 kg/s，總壓比接近2.0，等熵效率82%。

中國核動力研究設(shè)計院研發(fā)的"超碳一號"系統(tǒng)主要設(shè)備包括一個壓氣機、一個膨脹機、一個冷卻器、一個回熱器和一個換熱器，簡稱"兩機三器一系統(tǒng)"。2023年，該院聯(lián)合濟鋼國際在首鋼水鋼現(xiàn)場建設(shè)了2套15兆瓦超臨界二氧化碳余熱發(fā)電機組，項目中這項技術(shù)的優(yōu)勢展露無遺，場地需求及用水需求降低50%，發(fā)電效率提升42.7%，年發(fā)電量提升84%。

力學所高效潔凈燃燒課題組自2008年開始對該技術(shù)開展基礎(chǔ)研究和關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，提出了自冷凝CO?跨臨界動力循環(huán)和CO?混合工質(zhì)跨臨界動力循環(huán)，為避免超臨界CO?布雷頓循環(huán)的近臨界大壓比增壓過程、解決CO?跨臨界動力循環(huán)中亞臨界CO?冷凝問題提供了新思路。

四、sCO?壓氣機的技術(shù)挑戰(zhàn)與解決方案

壓氣機作為sCO?動力循環(huán)的核心部件，其性能直接決定系統(tǒng)效率與可靠性。在sCO?動力循環(huán)系統(tǒng)中，壓氣機需在高壓、高轉(zhuǎn)速及近臨界區(qū)極端物性波動下穩(wěn)定運行，這對其氣動設(shè)計、密封及材料等均提出了新的挑戰(zhàn)。

4.1 氣動設(shè)計挑戰(zhàn)

sCO?壓氣機的壓縮功和氣動效率與進口狀態(tài)密切相關(guān)，這是與傳統(tǒng)空氣工質(zhì)壓氣機顯著不同的氣動特點。為使循環(huán)達到高的綜合熱效率，離心式sCO?壓氣機需要盡可能降低壓縮功，此時要求sCO?壓氣機的進氣條件不僅需盡量靠近CO?工質(zhì)的臨界點，且還需要處于密度大的類液態(tài)區(qū)。此狀態(tài)下，sCO?壓氣機流體已經(jīng)嚴重偏離理想氣體假設(shè)，目前成熟的基于傳統(tǒng)理想氣體工質(zhì)的壓氣機一維設(shè)計方法、三維數(shù)值模擬方法等均不再適用，必須開發(fā)與之相適的設(shè)計方法與數(shù)值模擬方法。

當壓氣機進口條件處于偏液態(tài)的近臨界區(qū)域時，壓氣機極易發(fā)生流場參數(shù)波動現(xiàn)象，但是對此類氣動不穩(wěn)定現(xiàn)象的流動機理和控制方法仍缺乏全面深入的認識。因此，在實踐層面，現(xiàn)階段大多將壓氣機進口放在偏離臨界點且偏氣態(tài)區(qū)域，以最大程度避免壓氣機氣動不穩(wěn)定的產(chǎn)生。但這樣一來，sCO?壓氣機就偏離了最高效熱力循環(huán)所要求的工作范圍。

4.2 尺寸效應(yīng)與制造工藝

sCO?壓氣機通常尺寸小且轉(zhuǎn)速很高，百千瓦發(fā)電量級的sCO?壓氣機葉輪外徑只有不到30mm，兆瓦發(fā)電量級的壓氣機葉輪外徑也僅有40～50mm。為避免振動引起的葉輪損壞，葉輪葉尖間隙占葉高的相對百分比將比常規(guī)空氣工質(zhì)的離心葉輪大1倍以上。尺寸效應(yīng)不僅引起氣動性能的損失，對旋轉(zhuǎn)密封也造成很大困難。

2022年，美國西南研究院發(fā)表了10MW太陽能光熱sCO?動力循環(huán)主壓氣機的試驗結(jié)果。針對這些挑戰(zhàn)，近年來發(fā)展了五軸加工技術(shù)、超緊湊式回熱器技術(shù)、干氣密封技術(shù)、鎳基合金材料、高速氣浮軸承和高速電機等技術(shù)，為兆瓦級小型sCO?動力循環(huán)提供了高效結(jié)構(gòu)方案。

4.3 材料與腐蝕問題

金屬管道和部件在高溫S-CO?環(huán)境中的抗高溫腐蝕性能是該新型動力系統(tǒng)建設(shè)的瓶頸問題之一。研究表明，候選材料鐵素體/馬氏體耐熱鋼、奧氏體不銹鋼、高溫鎳基合金在高溫S-CO?環(huán)境中都會面臨腐蝕挑戰(zhàn)。普通碳鋼容易與CO?中的碳原子發(fā)生置換反應(yīng)，導致材料性能退化。鎳基合金等材料的應(yīng)用解決了這一難題，為sCO?動力循環(huán)的實用化提供了材料基礎(chǔ)。

五、sCO?動力循環(huán)面臨的難題與解決方案

盡管sCO?動力循環(huán)技術(shù)具有諸多優(yōu)勢，但在實際應(yīng)用中仍面臨一系列技術(shù)難題：

5.1 換熱器設(shè)計難題

超臨界二氧化碳的表面換熱能力很差，只有水的三分之一左右。因此，需要研制高比表面積的換熱器。這種設(shè)備除了要增加比表面積，還要讓它的承壓能力、耐腐蝕性都要好，這需要毫米級薄板的高強度焊接。傳統(tǒng)方法無法實現(xiàn)這一要求，而真空擴散焊工藝的應(yīng)用為超臨界二氧化碳換熱器的研發(fā)提供了解決方案。

5.2 系統(tǒng)控制難題

超臨界二氧化碳有響應(yīng)快的優(yōu)勢，引入一個熱量，可以快速升壓，但要做到既能響應(yīng)快又能可控，這就很難。針對這一挑戰(zhàn)，研究人員研制并測試驗證了面向多應(yīng)用場景、具備多功能、多型式的型譜化樣機。

5.3 工程化應(yīng)用難題

超臨界二氧化碳發(fā)電系統(tǒng)需要解決高溫高壓密封、高速軸承系統(tǒng)、材料腐蝕等一系列工程化問題。其中，回熱器、吸熱器等裝置中的流動傳熱特性，高速輕型轉(zhuǎn)子的制造及平衡、高壓密封、高速軸承系統(tǒng)等都是需要攻克的技術(shù)難點。

六、顛覆性技術(shù)創(chuàng)新與未來發(fā)展

超臨界二氧化碳動力循環(huán)技術(shù)作為一種顛覆性技術(shù)，不僅具有科學原理上的創(chuàng)新，在產(chǎn)業(yè)上也能夠帶來顛覆性的收益。經(jīng)過十余年的攻關(guān)，我國的超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)產(chǎn)學研體系基本建立，全國產(chǎn)化產(chǎn)業(yè)鏈條基本成型，具備了全面工程應(yīng)用條件。目前已經(jīng)掌握的超臨界二氧化碳技術(shù)，基本上可以做到從兩百千瓦到一百兆瓦這個功率等級。

未來，sCO?動力循環(huán)除了在地面發(fā)電領(lǐng)域占據(jù)重要位置，還將為空間動力、航空發(fā)動機、核動力潛艇等國防武器裝備提供緊湊高效、清潔低廉的熱功轉(zhuǎn)換解決方案。隨著超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)的不斷成熟和工程化應(yīng)用的推進，它將為航空航天領(lǐng)域帶來革命性的變化，特別是在熱管理、余熱回收和緊湊動力轉(zhuǎn)換方面發(fā)揮重要作用。

然而，該技術(shù)仍然面臨一些挑戰(zhàn)，需要進一步研究解決近臨界區(qū)物性對運行參數(shù)的強敏感性、壓縮部件研發(fā)、高效穩(wěn)定運行等問題。同時，需要針對不同的應(yīng)用場景、不同的功率等級規(guī)模，進行工程應(yīng)用的探索和示范，成功后做標準化設(shè)計。這些對降低成本、提高運維能力和水平都是至關(guān)重要的。

總的來說，超臨界二氧化碳動力循環(huán)及壓氣機技術(shù)作為一項前沿科技，正在推動航空航天動力系統(tǒng)的變革與創(chuàng)新，為其未來發(fā)展開辟了新的技術(shù)路徑和應(yīng)用前景。隨著相關(guān)技術(shù)的不斷突破和成熟，它必將在航空發(fā)動機領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。

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