CN112360575B - 一种超温超速自保护闭式循环热电转换系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种超温超速自保护闭式循环热电转换系统，该系统主要包括加热器、涡轮、压气机、电机、回热器、冷却器、自平衡涡轮、变速器、飞轮离合器、飞轮、电机离合器、辅助电机、旁通阀、温度传感器、压力传感器和转速传感器。当系统正常工作时，旁通阀处于关闭状态，飞轮离合器处于分离状态；当系统超速或超温时，旁通阀处于开启状态，自平衡涡轮处于工作状态，飞轮离合器处于贴合状态，自平衡涡轮将加热器出口高温工质的热能转变为机械能，并将能量储存在飞轮中；当需要将飞轮存储的机械能转变为电能时，电机离合器处于贴合状态时。该系统可有效防止闭式循环热电转换系统的超温超速故障，增强系统的工作可靠性。

Description

一种超温超速自保护闭式循环热电转换系统
技术领域
本发明属于闭式布雷顿循环热电转换系统可靠性与安全技术领域，具体涉及一种超温超速自保护闭式循环热电转换系统。
背景技术
闭式布雷顿循环热电转换系统作为一种新型能量转换装置，能够借助工质在闭式循环条件下有序流动通过吸收热量、膨胀做功、放热和压缩等热力循环过程实现热能向机械能的转换，并利用电机进一步将机械能转变为电能。典型的闭式布雷顿循环热电转换系统主要由加热器、涡轮、压气机、回热器、冷却器、电机等部件组成。闭式布雷顿循环热电转换系统在工作过程中与外界仅发生能量交换，而不进行物质交换，可应用于空间等特殊环境下的能量转换。
当闭式布雷顿循环热电转换系统正常工作时，系统中的工质通过在由加热器、涡轮、压气机、回热器、冷却器等相关部件组成的闭式回路中有序循环流动，实现热能向电能的持续转换。但是，当闭式布雷顿循环热电转换系统中工作状态参数出现异常或相关部件发生故障时，系统中高温部件及其连接管路极易在局部形成热量大量聚集，出现超温、超压现象，有时还会引起转子系统超转。当系统中高温部件及其连接管路中的工质温度和压力过高时，不仅会导致系统的二次损坏，甚至还会引起系统的爆炸。
因此，针对闭式布雷顿循环热电转换系统在运行过程中可能出现的超温超速现象，不仅需要在系统关键部位增加必要的温度传感器、压力传感器、转速传感器等，以实时监测温度、压力与转速等参数的变化，更且需要设计超温超速保护装置，以防止超温超速对闭式布雷顿循环热电转换系统的损坏。
发明内容
本发明针对闭式布雷顿循环热电转换系统的运行安全性需求，提出一种超温超速自保护闭式布雷顿循环热电转换系统。该系统包括加热器、涡轮、压气机、电机、回热器、冷却器、自平衡涡轮、变速器、飞轮离合器、飞轮、电机离合器、辅助电机、旁通阀、温度传感器、压力传感器和转速传感器。当闭式布雷顿循环热电转换系统正常工作时，旁通阀处于关闭状态，飞轮离合器处于分离状态。当闭式布雷顿循环热电转换系统超速或超温时，旁通阀处于开启状态，自平衡涡轮处于工作状态，飞轮离合器处于贴合状态，自平衡涡轮将加热器出口高温工质的热能转变为机械能，并通过变速器传递给飞轮，将能量储存起来。当电机离合器处于贴合状态时，飞轮还可以其储存的机械能传递给辅助电机，转变为电能。该系统可以有效防止闭式布雷顿循环热电转换系统由于超速或超温引发的故障，显著增强系统的工作可靠性与安全性。
本发明的技术方案：
一种超温超速自保护闭式布雷顿循环热电转换系统，包括加热器、涡轮、压气机、电机、回热器、冷却器、自平衡涡轮、变速器、飞轮离合器、飞轮、电机离合器、辅助电机、旁通阀、温度传感器、压力传感器和转速传感器。
所述加热器用于加热循环工质，所述加热器的进口通过连接管路同回热器的冷侧出口相连接，所述加热器的出口通过连接管路同涡轮的进口相连接；
所述涡轮用于将热能转化为机械功，所述涡轮的进口通过连接管路同加热器的出口相连接，所述涡轮的出口通过连接管路同回热器热侧进口相连接，所述涡轮的转轴同电机的转轴和压气机的转轴相联接；
所述压气机用于利用涡轮输出的部分机械功，实现闭式循环系统中循环工质压力的提升，所述压气机的进口通过连接管路同冷却器的出口相连接，所述压气机的出口通过连接管路同回热器的冷侧进口相连接；
所述电机用于将涡轮输出的部分机械功转变为电能，所述电机的转轴同涡轮的转轴相联接；
所述回热器用于将涡轮出口循环工质的热量传递给压气机出口循环工质，所述回热器的热侧进口通过连接管路同涡轮的出口相连接，所述回热器的热侧出口通过连接管路同冷却器的进口相连接，所述回热器的冷侧进口通过连接管路同压气机的出口相连接，所述回热器的冷侧出口通过连接管路同加热器的进口相连接；
所述冷却器用于冷却循环工质，所述冷却器的进口通过连接管路同回热器热侧出口和自平衡涡轮的出口相连接，所述冷却器的出口通过连接管路同压气机的进口相连接。
所述自平衡涡轮用于在闭式布雷顿循环热电转换系统发生超温超速时将加热器出口高温工质的热能转变为机械能，所述自平衡涡轮的进口通过连接管路同旁通阀的出口端相连接，所述自平衡涡轮的出口通过连接管路同冷却器的进口相连接；
所述变速器用于将自平衡涡轮输出的机械功以合适的转速和扭矩传递给飞轮，所述变速器的转轴一端同自平衡涡轮的转轴相联接，所述变速器的转轴另一端同飞轮离合器相联接；
所述飞轮离合器用于控制变速器与飞轮之间的功率传递，所述飞轮离合器的一端同变速器的转轴相联接，所述飞轮离合器的另一端同飞轮的转轴相联接，所述飞轮离合器在闭式布雷顿循环热电转换系统正常工作时处于分离状态，所述飞轮离合器在闭式布雷顿循环热电转换系统出现超温或超速时处于贴合状态；
所述飞轮用于储存机械能，所述飞轮的转轴一端同飞轮离合器相联接，所述飞轮的转轴另一端同电机离合器相联接，所述飞轮工作时的旋转方向同闭式布雷顿循环热电转换系统中涡轮、压气机和电机的转子旋转方向相同；
所述电机离合器用于控制飞轮与辅助电机之间的功率传递，所述电机离合器的一端同飞轮的转轴相联接，所述电机离合器的另一端同辅助电机的转轴相联接，所述电机离合器在飞轮的储能需要转变为电能时处于贴合状态；
所述辅助电机用于将飞轮存储的机械能转变为电能，所述辅助电机的转轴同电机离合器的一端相联接；
所述旁通阀用于控制自平衡涡轮的工作状态，所述旁通阀位于加热器的出口和自平衡涡轮的进口之间，所述旁通阀在闭式布雷顿循环热电转换系统正常工作时处于关闭状态，所述旁通阀在闭式布雷顿循环热电转换系统出现超温或超速时处于开启状态；
所述温度传感器用于监测闭式布雷顿循环热电转换系统中的工质温度，所述温度传感器位于加热器出口与涡轮进口之间的连接管路上；
所述压力传感器用于监测闭式布雷顿循环热电转换系统中的工质压力，所述压力传感器位于加热器出口与涡轮进口之间的连接管路上；
所述转速传感器用于监测闭式布雷顿循环热电转换系统中涡轮、压气机和电机的转子工作转速。
上述一种超温超速自保护闭式布雷顿循环热电转换系统的控制方法为：当闭式布雷顿循环热电转换系统正常工作时，旁通阀处于关闭状态，飞轮离合器处于分离状态；当闭式布雷顿循环热电转换系统出现超速或超温现象时，旁通阀处于开启状态，自平衡涡轮处于工作状态，飞轮离合器处于贴合状态，飞轮处于工作状态；当需要将飞轮储存的能量转变为电能时，电机离合器处于贴合状态，辅助电机处于工作状态。
本发明的有益效果是：
一种超温超速自保护闭式布雷顿循环热电转换系统，能够在系统发生超温超速时，利用自平衡涡轮及时将加热器出口高温工质的热能转变为机械能，并利用变速器将自平衡涡轮回收的机械能转递给飞轮，必要时还可以利用辅助电机将飞轮存储的机械能转变为电能，进而有效防止系统在出现超温超速时发生损坏故障。采用变速器可以将自平衡涡轮回收的机械能以合适转速和扭矩传递给飞轮。采用飞轮离合器，可有效控制自平衡涡轮与飞轮之间的功率传递，特别是当系统由超温超速状态恢复到正常工作状态后及时切断两者之间的功率传递。采用电机离合器，可以根据飞轮的储能状态以及系统的用电需求，控制飞轮存储的机械能向电能的转换。飞轮工作时的旋转方向同闭式布雷顿循环热电转换系统中涡轮、压气机和电机的转子旋转方向相同，可以增大系统的稳定陀螺力矩，提高系统的姿态稳定性。
附图说明
图1是一种超温超速自保护闭式布雷顿循环热电转换系统组成示意图。
1加热器 2涡轮 3压气机 4电机 5回热器 6冷却器
7自平衡涡轮 8变速器 9飞轮离合器 10飞轮 11电机离合器
12辅助电机 13旁通阀 14温度传感器 15压力传感器
16转速传感器 17回热器热侧进口 18回热器热侧出口
19回热器冷侧进口 20回热器冷侧出口
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种超温超速自保护闭式布雷顿循环热电转换系统，其目的在于针对闭式布雷顿循环热电转换系统出现的超温超速时的安全保护要求，提出一种超温超速自保护闭式布雷顿循环热电转换系统。该系统能够有效防止超温超速引起的闭式布雷顿循环热电转换系统故障或损坏。
如图1所示，一种超温超速自保护闭式布雷顿循环热电转换系统，包括加热器1、涡轮2、压气机3、电机4、回热器5、冷却器6、自平衡涡轮7、变速器8、飞轮离合器9、飞轮10、电机离合器11、辅助电机12、旁通阀13、温度传感器14、压力传感器15和转速传感器16。
所述加热器1用于加热循环工质，所述加热器1的进口通过连接管路同回热器的冷侧出口20相连接，所述加热器1的出口通过连接管路同涡轮2的进口相连接；
所述涡轮2用于将热能转化为机械功，所述涡轮2的进口通过连接管路同加热器1的出口相连接，所述涡轮2的出口通过连接管路同回热器热侧进口17相连接，所述涡轮2的转轴同电机4的转轴和压气机3的转轴相联接；
所述压气机3用于利用涡轮2输出的部分机械功，实现闭式循环系统中循环工质压力的提升，所述压气机3的进口通过连接管路同冷却器6的出口相连接，所述压气机3的出口通过连接管路同回热器的冷侧进口19相连接；
所述电机4用于将涡轮2输出的部分机械功转变为电能，所述电机4的转轴同涡轮2的转轴相联接；
所述回热器5用于将涡轮2出口循环工质的热量传递给压气机3出口循环工质，所述回热器的热侧进口17通过连接管路同涡轮2的出口相连接，所述回热器的热侧出口18通过连接管路同冷却器6的进口相连接，所述回热器的冷侧进口19通过连接管路同压气机3的出口相连接，所述回热器的冷侧出口20通过连接管路同加热器1的进口相连接；
所述冷却器6用于冷却循环工质，所述冷却器6的进口通过连接管路同回热器热侧出口18和自平衡涡轮7的出口相连接，所述冷却器6的出口通过连接管路同压气机3的进口相连接。
所述自平衡涡轮7用于在闭式布雷顿循环热电转换系统发生超温超速时将加热器出口高温工质的热能转变为机械能，所述自平衡涡轮7的进口通过连接管路同旁通阀13的出口端相连接，所述自平衡涡轮7的出口通过连接管路同冷却器的进口18相连接；
所述变速器8用于将自平衡涡轮7输出的机械功以合适的转速和扭矩传递给飞轮10，所述变速器8的转轴一端同自平衡涡轮7的转轴相联接，所述变速器8的转轴另一端同飞轮离合器9相联接；
所述飞轮离合器9用于控制变速器8与飞轮10之间的功率传递，所述飞轮离合器9的一端同变速器8的转轴相联接，所述飞轮离合器9的另一端同飞轮10的转轴相联接，所述飞轮离合器9在闭式布雷顿循环热电转换系统正常工作时处于分离状态，所述飞轮离合器9在闭式布雷顿循环热电转换系统出现超温或超速时处于贴合状态；
所述飞轮10用于储存机械能，所述飞轮10的转轴一端同飞轮离合器9相联接，所述飞轮10的转轴另一端同电机离合器11相联接，所述飞轮10工作时的旋转方向同闭式布雷顿循环热电转换系统中涡轮、压气机和电机的转子旋转方向相同；
所述电机离合器11用于控制飞轮10与辅助电机12之间的功率传递，所述电机离合器11的一端同飞轮10的转轴相联接，所述电机离合器11的另一端同辅助电机12的转轴相联接，所述电机离合器11在飞轮10的储能需要转变为电能时处于贴合状态；
所述辅助电机12用于将飞轮11存储的机械能转变为电能，所述辅助电机12的转轴同电机离合器11的一端相联接；
所述旁通阀13用于控制自平衡涡轮的工作状态，所述旁通阀13位于加热器1的出口和自平衡涡轮7的进口之间，所述旁通阀13在闭式布雷顿循环热电转换系统正常工作时处于关闭状态，所述旁通阀13在闭式布雷顿循环热电转换系统出现超温或超速时处于开启状态；
所述温度传感器14用于监测闭式布雷顿循环热电转换系统中的工质温度，所述温度传感器14位于加热器1出口与涡轮2进口之间的连接管路上；
所述压力传感器15用于监测闭式布雷顿循环热电转换系统中的工质压力，所述压力传感器15位于加热器1出口与涡轮2进口之间的连接管路上；
所述转速传感器16用于监测闭式布雷顿循环热电转换系统中涡轮、压气机和电机的转子工作转速。
上述一种超温超速自保护闭式布雷顿循环热电转换系统的控制方法为：当闭式布雷顿循环热电转换系统正常工作时，旁通阀13处于关闭状态，飞轮离合器9处于分离状态；当闭式布雷顿循环热电转换系统出现超速或超温现象时，旁通阀13处于开启状态，自平衡涡轮7处于工作状态，飞轮离合器9处于贴合状态，飞轮10处于工作状态；当需要将飞轮10储存的能量转变为电能时，电机离合器11处于贴合状态，辅助电机12处于工作状态。
以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种超温超速自保护闭式布雷顿循环热电转换系统，其特征在于：包括加热器(1)、涡轮(2)、压气机(3)、电机(4)、回热器(5)、冷却器(6)、自平衡涡轮(7)、变速器(8)、飞轮离合器(9)、飞轮(10)、电机离合器(11)、辅助电机(12)、旁通阀(13)、温度传感器(14)、压力传感器(15)和转速传感器(16)；
所述加热器(1)用于加热循环工质，所述加热器(1)的进口通过连接管路同回热器的冷侧出口(20)相连接，所述加热器(1)的出口通过连接管路同涡轮(2)的进口相连接；
所述涡轮(2)用于将热能转化为机械功，所述涡轮(2)的进口通过连接管路同加热器(1)的出口相连接，所述涡轮(2)的出口通过连接管路同回热器热侧进口(17)相连接，所述涡轮(2)的转轴同电机(4)的转轴和压气机(3)的转轴相联接；
所述压气机(3)用于利用涡轮(2)输出的部分机械功，实现闭式循环系统中循环工质压力的提升，所述压气机(3)的进口通过连接管路同冷却器(6)的出口相连接，所述压气机(3)的出口通过连接管路同回热器的冷侧进口(19)相连接；
所述电机(4)用于将涡轮(2)输出的部分机械功转变为电能，所述电机(4)的转轴同涡轮(2)的转轴相联接；
所述回热器(5)用于将涡轮(2)出口循环工质的热量传递给压气机(3)出口循环工质，所述回热器的热侧进口(17)通过连接管路同涡轮(2)的出口相连接，所述回热器热侧出口(18)通过连接管路同冷却器(6)的进口相连接，所述回热器的冷侧进口(19)通过连接管路同压气机(3)的出口相连接，所述回热器的冷侧出口(20)通过连接管路同加热器(1)的进口相连接；
所述冷却器(6)用于冷却循环工质，所述冷却器(6)的进口通过连接管路同回热器热侧出口(18)和自平衡涡轮(7)的出口相连接，所述冷却器(6)的出口通过连接管路同压气机(3)的进口相连接；
所述自平衡涡轮(7)用于在闭式布雷顿循环热电转换系统发生超温超速时将加热器出口高温工质的热能转变为机械能，所述自平衡涡轮(7)的进口通过连接管路同旁通阀(13)的出口端相连接，所述自平衡涡轮(7)的出口通过连接管路同冷却器的进口相连接；
所述旁通阀(13)用于控制自平衡涡轮的工作状态，所述旁通阀(13)位于加热器(1)的出口和自平衡涡轮(7)的进口之间，所述旁通阀(13)在闭式布雷顿循环热电转换系统正常工作时处于关闭状态，所述旁通阀(13)在闭式布雷顿循环热电转换系统出现超温或超速时处于开启状态；
所述温度传感器(14)用于监测闭式布雷顿循环热电转换系统中的工质温度，所述温度传感器(14)位于加热器(1)出口与涡轮(2)进口之间的连接管路上；
所述压力传感器(15)用于监测闭式布雷顿循环热电转换系统中的工质压力，所述压力传感器(15)位于加热器(1)出口与涡轮(2)进口之间的连接管路上；
所述转速传感器(16)用于监测闭式布雷顿循环热电转换系统中涡轮、压气机和电机的转子工作转速；
所述变速器(8)用于将自平衡涡轮(7)输出的机械功以合适的转速和扭矩传递给飞轮(10)，所述变速器(8)的转轴一端同自平衡涡轮(7)的转轴相联接，所述变速器(8)的转轴另一端同飞轮离合器(9)相联接；
所述飞轮离合器(9)用于控制变速器(8)与飞轮(10)之间的功率传递，所述飞轮离合器(9)的一端同变速器(8)的转轴相联接，所述飞轮离合器(9)的另一端同飞轮(10)的转轴相联接，所述飞轮离合器(9)在闭式布雷顿循环热电转换系统正常工作时处于分离状态，所述飞轮离合器(9)在闭式布雷顿循环热电转换系统出现超温或超速时处于贴合状态；
所述飞轮(10)用于储存机械能，所述飞轮(10)的转轴一端同飞轮离合器(9)相联接，所述飞轮(10)的转轴另一端同电机离合器(11)相联接，所述飞轮(10)工作时的旋转方向同闭式布雷顿循环热电转换系统中涡轮、压气机和电机的转子旋转方向相同；
所述电机离合器(11)用于控制飞轮(10)与辅助电机(12)之间的功率传递，所述电机离合器(11)的一端同飞轮(10)的转轴相联接，所述电机离合器(11)的另一端同辅助电机(12)的转轴相联接，所述电机离合器(11)在飞轮(10)的储能需要转变为电能时处于贴合状态；
所述辅助电机(12)用于将飞轮(10)存储的机械能转变为电能，所述辅助电机(12)的转轴同电机离合器(11)的一端相联接。
2.根据权利要求1所述的一种超温超速自保护闭式布雷顿循环热电转换系统的控制方法，其特征在于：当闭式布雷顿循环热电转换系统正常工作时，旁通阀(13)处于关闭状态，飞轮离合器(9)处于分离状态；当闭式布雷顿循环热电转换系统出现超速或超温现象时，旁通阀(13)处于开启状态，自平衡涡轮(7)处于工作状态，飞轮离合器(9)处于贴合状态，飞轮(10)处于工作状态；当需要将飞轮(10)储存的能量转变为电能时，电机离合器(11)处于贴合状态，辅助电机(12)处于工作状态。
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