CN112049692B - 一种10kW级空间核能闭式布雷顿循环热电转换系统 - Google Patents

一种10kW级空间核能闭式布雷顿循环热电转换系统 Download PDF

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Abstract

一种10kW级空间核能闭式布雷顿循环热电转换系统，应用场景为空间飞行器动力，将同位素热源产生的热能转化为电能，为电推力器等负载提供电力。本发明的发电功率为10kW，工质回路按闭式布雷顿循环设计，工质依次经过压气机中的绝热压缩、以同位源为热源定压加热、在透平中绝热膨胀、定压冷却的热力过程。该系统充分考虑所用惰性气体工质的物性，综合利用工质气体中各组分气体在导热性、热容等方面的优势，经过反复迭代设计，使得该系统具备了布局紧凑、转换效率高，功率密度高，环境适应性强等特点，同时适用于水潜航器动力系统。

Description

一种10kW级空间核能闭式布雷顿循环热电转换系统
技术领域
本发明涉及一种10kW级空间核能闭式布雷顿循环热电转换系统，应用场景包括空间核动力飞行器、水下核动力潜航器、非内燃式的热功转换发动机等。
背景技术
随着航天器应用电推进平台和深空探测任务的需求，我国已开展多种电推进技术研究，并取得了长足的进步，但鉴于我国空间核电源技术仍处于研制阶段，已有空间发电技术较受日照时间、功率水平等因素限制，难以满足深空探测的电源需求。目前核反应堆空间小型化技术尚不成熟，尚不支持100kW级以及更小功率的热电转换装置，小功率水平的同位素热源已实现空间应用。本发明中10kW级闭式布雷顿循环热电转换技术拟采用同位素热源，适用于长航时、无日照环境，使空间布雷顿热电转换系统成为急待发展的重要技术。
更先进的闭式布雷顿循环热功转换装置的关键性能指标为：更高的循环热功转换效率、更低的单位功率重量与更低的单位功率体积等。由于该发明的应用需求为空间封闭环境，采用闭式循环设计，其热力学设计受到诸多制约，在10kW功率等级布雷顿热电转换系统的研制尚属空白。传统的微型燃气轮机是面向开式布雷顿循环设计的，且其工质是空气及燃烧烟气。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种10kW级空间核能闭式布雷顿循环热电转换系统，利用太阳能、辐射同位素装置、化学反应器等多种热源，构建具有较高的能量转换效率以及较高的能量密度比的热力发电装置，并且不需要吸气与排气，在航天动力、水下动力等领域具有广阔应用前景。
本发明的技术解决方案是：一种10kW级空间核能闭式布雷顿循环热电转换系统，其特征在于：包括涡轮、电机、压气机、冷却器、回热器、换热器、供气模块、控制模块和滑油模块；
所述涡轮、电机、压气机、冷却器、回热器和换热器构成热力循环系统；所述换热器用于将同位素热源抽取的热量注入循环工质气体；工质气体经冷却器后进入压气机压缩升压，然后进入回热器加热，再流入换热器加热后，送至涡轮做功；电机和压气机为共轴转子，涡轮带动电机和压气机一同转动，电机转动的同时发出电能；
所述供气模块用于提供工质气体；
所述滑油模块用于为涡轮和压气机转子的滑动轴承提供润滑及冷却；
所述控制模块用于接收上级控制指令，控制电机、换热器、供气模块和滑油模块工作。
进一步地，所述涡轮、电机和压气机组成动力模块；所述动力模块采用卧式放置，电机置于中间，回热器和冷却器首尾串联，与电机平行放置。
进一步地，所述动力模块轴向长度在1.2m以内，半径为0.4m以内。
进一步地，所述工质气体为纯质氩气，或为40g/mol的氦-氙混合气，其中，氦气摩尔比例为70％～72％；输出功率范围在0.5～6.45kW；整机效率为5％～20％；运行时换热器加热功率为40～58kW；电机运行转速为28000～39000r/min。
进一步地，当使用所述的氦-氙混合气作为工质气体时，将所需的氦气和氙气分别独立贮存，汇入预混气瓶进行混合后注入压气机入口处；汇入预混气瓶时，氦气瓶和氙气瓶由各自压力表及流量计控制各自汇入气体的质量，以调节氦气的摩尔比例。
进一步地，所述供气模块与热力循环系统连接的位置在冷却器出口与压气机入口之间。
进一步地，所述控制模块采用反馈控制方法调节换热器的加热功率，并控制电机的升速过程，在额定工况发电状态下调节电机的负载以使其转速稳定。
进一步地，所述滑油模块采用含有气液分离装置的油站，为涡轮和压气机转子的滑动轴承提供润滑及冷却，供油和排油的压差不小于0.4MPa，且不向热力循环气体工质回路中引入润滑油滴或油雾。
进一步地，所述热力循环系统中的工质气体的流量为2.0～3.50kg/s，回热器在额定工况下的回热度为0.8～0.88，回热量为90kW～95kW，压气机的等熵效率在80％以上，涡轮做功效率在85％以上。
进一步地，所述涡轮采用镍基高温合金材料制造；电机的永磁体转子采用SmCo30H杉钴制造；压气机内叶轮采用铸铝材料制造。
本发明与现有技术相比的优点在于：
【1】该10kW级布雷顿热电转换系统，针对工程化程度更高、体积更小的同位素热源设计。填补了10kW功率水平的核动力热电转换装置的设计空白。相比于以小型化核反应堆热源的大功率热电转换系统，本发明技术可行性更高，若用于的小型深空探测任务航天器，有望替代温差发电等低效率的静态热电转换系统。
【2】已有微型燃气轮机采用空气和燃烧烟气混合气为工质，而该10kW级布雷顿热电转换系统采用了惰性气体工质，在系统方案设计中，引入了对氦氙混合气体的热物性的考虑，确定了氦气与氙气的最优混合比，综合利用了氦气传热性强、氙气比热大的优点，提高了回热器回热度至0.88，使得循环效率在原有基础上进一步提升至20％，指标优于同功率水平的闭式循环发电系统。
【3】该10kW级布雷顿热电转换系统在压气机和涡轮的工况设计中，通过对氦氙气体物性的计算，在吸取了所选工质气体传热性好、比热大的优势基础上，通过合理的气动设计，克服了采用纯质氦气工质时压气机负荷较大的缺点，利用单级压气获得了更高的压缩比及压气效率。
【4】该10kW级布雷顿热电转换系统的布置设计中，将电机置于涡轮和压气机中间，使得涡轮发电机轴系获得了更好的动力学特性，减少了轴承支承的数量，简化了装置复杂度，提升了机组运行可靠性。
【5】该10kW级布雷顿热电转换系统在设计过程中，利用氩气与前述所采用的氦氙混合气工质热力学特性相近的特点，通过迭代改进设计，使得系统在采用纯质氩气时仍可达到与前述氦氙混合气工质同等水平的发电功率及运行效率，提高了系统对工质种类的适应性。
【6】该10kW级布雷顿热电转换系统针对闭式循环回路设计，在设计中充分考虑了闭式循环中，各环节设备之间耦合与反馈作用，科学地选取了循环状态参数点。该种设计充分发挥了闭式热力循环的工作优势，即不产生燃烧烟气，工作清洁高效，实现了无污染、零排放、环境友好型的电源解决方案。
【7】该10kW级布雷顿热电转换系统为微型透平发电机组，采用了紧凑结构的回热器和冷却器装置，其涡轮发电机组长度在1.2米以内，布置灵活。不仅可以应用于空间核动力系统的热电转换，空间太阳能热电转换，还可以应用于地面分布式发电系统；若装备于陆上移动载具，则成为分布式电源产品，如车载核电宝。
附图说明
图1为本发明的10kW级布雷顿热电转换系统机组样机布置效果图。
图1中：1-涡轮，2-电机，3-压气机，4-冷却器，5-回热器，6-加热器及管路组成热力循环，另有7-供气模块、8-控制模块、9-滑油循环模块；
图2为本发明的10kW级布雷顿热电转换系统连接图
图2中：a1-冷却器出口、a2-压气机入口、b1-压气机出口、b2-回热器冷端入口、c1-回热器冷端出口、c2-换热器入口、d1-换热器出口、d2-涡轮入口、e1-涡轮出口、e2-回热器热端入口、f1-回热器热端出口、f2-冷却器入口。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本申请技术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
以下结合说明书附图对本申请实施例所提供的一种10kW级空间核能闭式布雷顿循环热电转换系统做进一步详细的说明，如图1、2所示。
10kW级闭式布雷顿循环热电转换系统包括涡轮1，电机2，压气机3，冷却器4，回热器5，换热器6及管路组成热力循环，另有供气模块7、控制模块8、滑油循环模块9。
在本申请实施例所提供的方案中，涡轮1、电机2和压气机3组成动力模块，被共用壳体包裹，采用卧式放置，该模块轴向长度在1.2m以内，半径为0.4m以内。压气机内叶轮采用铸铝材料制造，涡轮采用镍基高温合金材料GH4169制造。回热器和冷却器首尾串联，与电机平行放置。供气模块向热力循环补充工质气体，其补入位置在冷却器出口与压气机入口之间。当使用氦-氙混合气体工质时，采用“独立供气、混合注入”的方式进行系统工质的供气和充气。控制模块，采用反馈控制，调节换热器的加热功率，并控制电机的升、降速过程，在额定工况发电状态下调节电机的负载以使其转速稳定。滑油模块采用含有气液分离装置的小型油站，为压气机和涡轮的滑动轴承提供润滑及冷却，供、排油压差不小于0.4MPa，且不向热力循环气体工质回路中引入润滑油滴或油雾。工质气体从换热器6流出后，吹动涡轮1旋转，带动与之共轴的电机2和压气机3，电机2转动过程中发出电能。使用带有保温覆盖的管路将回热器5和冷却器4首尾串联，与电机2平行放置。
运行时，工质气体经压气机3压缩升压，进入回热器5冷端进行加热，再流入换热器6加热，送至涡轮1做功，而后返回回热器5热端，经由冷却器4送回压气机3，形成循环回路。
进一步，在一种可能实现的方式中，该布雷顿热电转换系统在室温环境下运行，应使用纯质氩气，或40g/mol的氦-氙混合气(氦气摩尔比例为70％～72％)作为工质气体。运行时，应保持换热器6加热功率为40～58kW；电机运行转速为28000～39000r/min；可使输出功率范围在0.5～6.45kW；整机效率为5％～20％。回热器5的设计回热度在额定工况下为0.8～0.88，回热量为90kW～95kW。输出功率范围在0.5～6.45kW；整机效率为5％～20％；运行时换热器6加热功率为40～58kW；电机2运行转速为28000～39000r/min；可在室温环境下运行。
在一种可能实现的方式中，运行时应保持系统在额定工况下运行，以保证系统发电功率达10kW以上且发电效率最佳。启动时应逐步升高电机转速及换热器功率，使得布雷顿系统循环中各位置的工质压力、温度状态达到额定工况的设计值范围。
具体地，在一种可能实现的方式中，对应图2中所标识的循环位置点处工质状态应该保持在：
(a1)冷却器出口307kPa～312kPa、285K～310K；
(a2)压气机入口305kPa～310kPa、300K～313K；
(b1)压气机出口460kPa～482kPa、400K～422K；
(b2)回热器冷端入口460kPa～480kPa、400K～422K；
(c1)回热器冷端出口50kPa～472kPa、750K～780K；
(c2)换热器入口450kPa～472kPa、750K～780K；
(d1)换热器出口452kPa～465kPa、1030K～1200K；
(d2)涡轮入口452kPa～465kPa、1000K～1080K；
(e1)涡轮出口328kPa～334kPa、830K～858K；
(e2)回热器热端入口325kPa～332kPa、830K～856K；
(f1)回热器热端出口311kPa～321kPa、400K～422K；
(f2)间冷器入口315kPa～320kPa、395K～413K。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种10kW级空间核能闭式布雷顿循环热电转换系统，其特征在于：包括涡轮(1)、电机(2)、压气机(3)、冷却器(4)、回热器(5)、换热器(6)、供气模块(7)、控制模块(8)和滑油模块(9)；
所述涡轮(1)、电机(2)、压气机(3)、冷却器(4)、回热器(5)和换热器(6)构成热力循环系统；所述换热器(6)用于将同位素热源抽取的热量注入循环工质气体；工质气体经冷却器(4)后进入压气机(3)压缩升压，然后进入回热器(5)加热，再流入换热器(6)加热后，送至涡轮(1)做功；电机(2)和压气机(3)为共轴转子，涡轮(1)带动电机(2)和压气机(3)一同转动，电机(2)转动的同时发出电能；
所述供气模块(7)用于提供工质气体；
所述滑油模块(9)用于为涡轮(1)和压气机(3)转子的滑动轴承提供润滑及冷却；
所述控制模块(8)用于接收上级控制指令，控制电机(2)、换热器(6)、供气模块(7)和滑油模块(9)工作；
所述工质气体为纯质氩气，或为40g/mol的氦-氙混合气，其中，氦气摩尔比例为70％～72％；输出功率范围在0.5～6.45kW；整机效率为5％～20％；运行时换热器加热功率为40～58kW；电机运行转速为28000～39000r/min。
2.根据权利要求1所述的一种10kW级空间核能闭式布雷顿循环热电转换系统，其特征在于：所述涡轮(1)、电机(2)和压气机(3)组成动力模块；所述动力模块采用卧式放置，电机(2)置于中间，回热器(5)和冷却器(4)首尾串联，与电机(2)平行放置。
3.根据权利要求2所述的一种10kW级空间核能闭式布雷顿循环热电转换系统，其特征在于：所述动力模块轴向长度在1.2m以内，半径为0.4m以内。
4.根据权利要求1所述的一种10kW级空间核能闭式布雷顿循环热电转换系统，其特征在于：当使用所述的氦-氙混合气作为工质气体时，将所需的氦气和氙气分别独立贮存，汇入预混气瓶进行混合后注入压气机(3)入口处；汇入预混气瓶时，氦气瓶和氙气瓶由各自压力表及流量计控制各自汇入气体的质量，以调节氦气的摩尔比例。
5.根据权利要求1所述的一种10kW级空间核能闭式布雷顿循环热电转换系统，其特征在于：所述供气模块(7)与热力循环系统连接的位置在冷却器出口与压气机入口之间。
6.根据权利要求1所述的一种10kW级空间核能闭式布雷顿循环热电转换系统，其特征在于：所述控制模块(8)采用反馈控制方法调节换热器(6)的加热功率，并控制电机(2)的升速过程，在额定工况发电状态下调节电机(2)的负载以使其转速稳定。
7.根据权利要求1所述的一种10kW级空间核能闭式布雷顿循环热电转换系统，其特征在于：所述滑油模块(9)采用含有气液分离装置的油站，为涡轮(1)和压气机(3)转子的滑动轴承提供润滑及冷却，供油和排油的压差不小于0.4MPa，且不向热力循环气体工质回路中引入润滑油滴或油雾。
8.根据权利要求1～7任一项所述的一种10kW级空间核能闭式布雷顿循环热电转换系统，其特征在于：所述热力循环系统中的工质气体的流量为2.0～3.50kg/s，回热器(5)在额定工况下的回热度为0.8～0.88，回热量为90kW～95kW，压气机(3)的等熵效率在80％以上，涡轮(1)做功效率在85％以上。
9.根据权利要求1～7任一项所述的一种10kW级空间核能闭式布雷顿循环热电转换系统，其特征在于：所述涡轮(1)采用镍基高温合金材料制造；电机(2)的永磁体转子采用SmCo30H杉钴制造；压气机(3)内叶轮采用铸铝材料制造。
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