超临界二氧化碳（sCO₂）动力循环技术原理及其在航空发动机领域的应用价值

能源与环境问题日益成为制约全球发展的关键因素，航空航天领域作为高端装备制造业的核心，对高效、紧凑、清洁的动力系统需求尤为迫切。超临界二氧化碳（sCO₂）动力循环技术因其独特的热力学特性和工程优势，近年来成为国际能源与动力领域的研究热点。与传统动力循环相比，sCO₂动力循环在热效率、功率密度和环境适应性等方面展现出显著潜力，特别是在航空发动机、空间动力和舰船动力等国防科技领域具有广阔的应用前景。本文将从其技术特点、在航空发动机中的作用、工作原理、国内外研究现状以及所能解决的关键问题等方面进行详细阐述。

一、sCO₂动力循环的技术特点与基本原理

超临界二氧化碳动力循环是一种以超临界状态的CO₂作为工质的热力循环系统。当二氧化碳被加压至7.38兆帕、加热至31℃以上时，会进入一种超越气态和液态特性的"超临界态"。此时，二氧化碳兼具高密度（接近于液体）和低粘度（接近于气体）的特性，扩散系数约为液体的100倍，具有流动性强、传热效率高、可压缩性小等特点。

sCO₂动力循环主要包括闭式布雷顿循环、用于余热回收的朗肯循环和以纯氧直燃为核心的半开式布雷顿循环（Allam循环）三大类。系统主要由压气机、热源、涡轮、换热器、控制系统、密封系统等组成。其最显著的技术特点是循环过程中压气机压缩功只占涡轮输出功的30%，相对于氦气轮机循环的45% 和燃气轮机循环的50%～60%，具有明显的功率密度优势。

sCO₂动力循环的工作原理是：超临界二氧化碳经过压气机升压后，利用换热器将工质等压加热，然后进入膨胀机做功，带动发电机发电，最后工质进入冷却器恢复到初始状态，再进入压气机形成闭式循环。整个过程中二氧化碳都处于超临界态，没有相变，做功能力强。

二、sCO₂动力循环在航空领域的关键作用

在航空发动机领域，sCO₂动力循环技术正在引发革命性的变革，其主要应用价值体现在以下几个方面：

2.1 热管理与热防护

高超音速飞行器在高速飞行时面临严峻的热环境，受气动加热、内部设备散热、推进系统散热等多因素耦合影响。sCO₂闭式布雷顿循环为解决这一挑战提供了创新方案。研究人员提出了一种应用于航空发动机热防护、以超临界CO₂为工质的闭式布雷顿冷却循环方案。研究表明，回热循环能够提高系统热效率约4%，但热沉利用率降低50%；间冷循环能够降低系统热沉消耗8%，但会导致系统总质量增大。超临界CO₂简单循环被证明是最符合发动机中间工质冷却循环工作需求的循环结构。

2.2 紧凑高效的动力转换

sCO₂动力循环具有高功率密度的明显优势，可广泛应用于航空发动机、无人机、靶机、eVTOL等飞行器的燃油、润滑、冷却系统中。由于系统结构紧凑，体积仅为普通水蒸气机组的1/25大小，非常适合对空间和重量要求苛刻的航空应用场景。在600℃温度下，sCO₂发电效率比蒸汽机组高3～5个百分点，这一优势在航空动力系统中尤为重要。

2.3 余热回收利用

航空发动机尾气余热回收理论发电量在500kW～2MW区间，余热温度为500～600℃。sCO₂动力循环在余热回收领域具有显著优势，热源温度低时，sCO₂朗肯循环将比布雷顿循环获得更高的循环效率。中国航发湖南动力机械研究所开发了涡轴发动机排气余热回收的百千瓦级sCO₂闭式布雷顿循环的原理样机，并实现设计转速运转，突破了高功率密度压气机、轻质高效紧凑换热器、旋转动密封等关键技术。

三、国内外sCO₂动力循环相关研究工作

超临界二氧化碳动力循环技术的发展离不开全球科研机构和企业的持续投入，国内外已形成多维度、多层次的研究格局，推动着技术不断进步。

3.1 国际研究进展

美国在 sCO₂动力循环研究领域处于领先地位，其能源部（DOE）自2000年左右起就在核能、太阳能及化石燃料 sCO₂动力循环开展系统性部署。2004年，麻省理工学院（MIT）率先系统地研究了 sCO₂闭式循环在核能中的应用，为后续研究奠定了理论基础。

桑迪亚国家实验室作为美国 sCO₂技术研发的核心机构，于2011年公布了世界第一套 sCO₂闭式循环样机，首次证明了 sCO₂动力循环系统的完整运行能力，包括起动、加速、发电和关闭等关键过程的可控性。该实验室 2012 年发表的研究成果详细阐述了 sCO₂布雷顿循环的性能特征，指出其在中等热源温度范围内的高转换效率、紧凑尺寸和潜在的材料经济性优势。

欧洲国家也积极开展 sCO₂动力循环研究。英国、德国、芬兰等国在不同应用领域推进技术研发，重点关注系统集成和关键部件优化。例如，德国在航空发动机余热回收应用方面开展了多项研究，探索sCO₂循环与燃气涡轮的结合方式。

亚洲国家中，日本和韩国在 sCO₂技术研发方面表现活跃。日本东京工业大学、韩国先进科技研究所已研制出小功率级别的示范样机，主要集中在太阳能热发电和工业余热回收领域，为技术产业化积累了宝贵经验。

国际航空企业也认识到 sCO₂技术的潜力。GE航空航天对 sCO₂动力循环与当前主流动力循环的应用领域及热效率进行了系统对比，明确了 sCO₂循环在航空领域的应用前景。虽然 GE 的 RISE 项目主要聚焦可持续燃料，但也为 sCO₂技术与航空发动机的结合提供了技术参考。

3.2 国内研究进展

国内中国航发湖南动力机械研究所（中国航发动研所）、西安热工研究院、中国科学院工程热物理研究所、中国核动力研究院等也开展了系统的示范搭建。中国科学院工程热物理研究所完成了国内首次MW级sCO₂闭式循环离心式压缩机多进口工况全载实验，最高实验转速32,000 r/min，质量流量约13 kg/s，总压比接近2.0，等熵效率82%。

中国核动力研究设计院研发的"超碳一号"系统主要设备包括一个压气机、一个膨胀机、一个冷却器、一个回热器和一个换热器，简称"两机三器一系统"。2023年，该院联合济钢国际在首钢水钢现场建设了2套15兆瓦超临界二氧化碳余热发电机组，项目中这项技术的优势展露无遗，场地需求及用水需求降低50%，发电效率提升42.7%，年发电量提升84%。

力学所高效洁净燃烧课题组自2008年开始对该技术开展基础研究和关键技术研发，提出了自冷凝CO₂跨临界动力循环和CO₂混合工质跨临界动力循环，为避免超临界CO₂布雷顿循环的近临界大压比增压过程、解决CO₂跨临界动力循环中亚临界CO₂冷凝问题提供了新思路。

四、sCO₂压气机的技术挑战与解决方案

压气机作为sCO₂动力循环的核心部件，其性能直接决定系统效率与可靠性。在sCO₂动力循环系统中，压气机需在高压、高转速及近临界区极端物性波动下稳定运行，这对其气动设计、密封及材料等均提出了新的挑战。

4.1 气动设计挑战

sCO₂压气机的压缩功和气动效率与进口状态密切相关，这是与传统空气工质压气机显著不同的气动特点。为使循环达到高的综合热效率，离心式sCO₂压气机需要尽可能降低压缩功，此时要求sCO₂压气机的进气条件不仅需尽量靠近CO₂工质的临界点，且还需要处于密度大的类液态区。此状态下，sCO₂压气机流体已经严重偏离理想气体假设，目前成熟的基于传统理想气体工质的压气机一维设计方法、三维数值模拟方法等均不再适用，必须开发与之相适的设计方法与数值模拟方法。

当压气机进口条件处于偏液态的近临界区域时，压气机极易发生流场参数波动现象，但是对此类气动不稳定现象的流动机理和控制方法仍缺乏全面深入的认识。因此，在实践层面，现阶段大多将压气机进口放在偏离临界点且偏气态区域，以最大程度避免压气机气动不稳定的产生。但这样一来，sCO₂压气机就偏离了最高效热力循环所要求的工作范围。

4.2 尺寸效应与制造工艺

sCO₂压气机通常尺寸小且转速很高，百千瓦发电量级的sCO₂压气机叶轮外径只有不到30mm，兆瓦发电量级的压气机叶轮外径也仅有40～50mm。为避免振动引起的叶轮损坏，叶轮叶尖间隙占叶高的相对百分比将比常规空气工质的离心叶轮大1倍以上。尺寸效应不仅引起气动性能的损失，对旋转密封也造成很大困难。

2022年，美国西南研究院发表了10MW太阳能光热sCO₂动力循环主压气机的试验结果。针对这些挑战，近年来发展了五轴加工技术、超紧凑式回热器技术、干气密封技术、镍基合金材料、高速气浮轴承和高速电机等技术，为兆瓦级小型sCO₂动力循环提供了高效结构方案。

4.3 材料与腐蚀问题

金属管道和部件在高温S-CO₂环境中的抗高温腐蚀性能是该新型动力系统建设的瓶颈问题之一。研究表明，候选材料铁素体/马氏体耐热钢、奥氏体不锈钢、高温镍基合金在高温S-CO₂环境中都会面临腐蚀挑战。普通碳钢容易与CO₂中的碳原子发生置换反应，导致材料性能退化。镍基合金等材料的应用解决了这一难题，为sCO₂动力循环的实用化提供了材料基础。

五、sCO₂动力循环面临的难题与解决方案

尽管sCO₂动力循环技术具有诸多优势，但在实际应用中仍面临一系列技术难题：

5.1 换热器设计难题

超临界二氧化碳的表面换热能力很差，只有水的三分之一左右。因此，需要研制高比表面积的换热器。这种设备除了要增加比表面积，还要让它的承压能力、耐腐蚀性都要好，这需要毫米级薄板的高强度焊接。传统方法无法实现这一要求，而真空扩散焊工艺的应用为超临界二氧化碳换热器的研发提供了解决方案。

5.2 系统控制难题

超临界二氧化碳有响应快的优势，引入一个热量，可以快速升压，但要做到既能响应快又能可控，这就很难。针对这一挑战，研究人员研制并测试验证了面向多应用场景、具备多功能、多型式的型谱化样机。

5.3 工程化应用难题

超临界二氧化碳发电系统需要解决高温高压密封、高速轴承系统、材料腐蚀等一系列工程化问题。其中，回热器、吸热器等装置中的流动传热特性，高速轻型转子的制造及平衡、高压密封、高速轴承系统等都是需要攻克的技术难点。

六、颠覆性技术创新与未来发展

超临界二氧化碳动力循环技术作为一种颠覆性技术，不仅具有科学原理上的创新，在产业上也能够带来颠覆性的收益。经过十余年的攻关，我国的超临界二氧化碳发电技术产学研体系基本建立，全国产化产业链条基本成型，具备了全面工程应用条件。目前已经掌握的超临界二氧化碳技术，基本上可以做到从两百千瓦到一百兆瓦这个功率等级。

未来，sCO₂动力循环除了在地面发电领域占据重要位置，还将为空间动力、航空发动机、核动力潜艇等国防武器装备提供紧凑高效、清洁低廉的热功转换解决方案。随着超临界二氧化碳发电技术的不断成熟和工程化应用的推进，它将为航空航天领域带来革命性的变化，特别是在热管理、余热回收和紧凑动力转换方面发挥重要作用。

然而，该技术仍然面临一些挑战，需要进一步研究解决近临界区物性对运行参数的强敏感性、压缩部件研发、高效稳定运行等问题。同时，需要针对不同的应用场景、不同的功率等级规模，进行工程应用的探索和示范，成功后做标准化设计。这些对降低成本、提高运维能力和水平都是至关重要的。

总的来说，超临界二氧化碳动力循环及压气机技术作为一项前沿科技，正在推动航空航天动力系统的变革与创新，为其未来发展开辟了新的技术路径和应用前景。随着相关技术的不断突破和成熟，它必将在航空发动机领域发挥越来越重要的作用。

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