CN112360578B - 一种自适应闭式循环热电转换系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种自适应闭式循环热电转换系统，主要包括加热器、涡轮、压气机、电机、回热器、冷却器、自适应涡轮、变速器、飞轮离合器、飞轮、电机离合器、旁通阀、涡轮进口温度传感器、涡轮进口压力传感器和主轴转速传感器。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、电机离合器处于分离状态。当系统工作状态参数出现异常或外部载荷环境发生变化时，旁通阀视情处于开启或关闭状态，飞轮离合器和电机离合器视情处于分离或贴合状态，自适应涡轮和变速器视情处于工作或停车状态，飞轮视情调整转速。该闭式布雷顿循环热电转换系统能自主适应工作状态参数异常变化与外部载荷环境变化，增强服役可靠性与安全性。

Description

一种自适应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设计技术领域，具体涉及一种自适应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。
空间用闭式布雷循环热电转换系统的运行参数受其热源、用电需求、外部环境等的影响，当系统稳定在某一设计工况运行时，通过工质在由加热器、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，当系统运行偏离设计工况和工作状态参数出现异常时，极易引起涡轮超速、超温，导致系统故障或损坏。此外，当闭式布雷循环热电转换系统受到外部载荷环境变化时，为保持系统在空间环境下的姿态稳定性，需要对系统的运行参数进行及时调整。
针对闭式布雷顿循环热电转换系统在空间环境下的工作可靠性与安全性需求，需要针对闭式布雷顿循环系统的特点与空间服役要求，采取相应的技术措施增强闭式布雷顿循环热电转换系统的自适应能力，保证系统在运行参数出现异常或受到外部载荷环境变化干扰时能够可靠工作。
发明内容
本发明针对闭式布雷顿循环热电转换系统的工作可靠性需求，提出一种自适应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、自适应涡轮、变速器、飞轮离合器、飞轮、电机离合器、旁通阀、涡轮进口温度传感器、涡轮进口压力传感器和主轴转速传感器。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、电机离合器处于分离状态。当闭式布雷顿循环热电转换系统工作状态参数出现异常或外部载荷环境发生变化时，旁通阀视情处于开启或关闭状态，飞轮离合器和电机离合器视情处于分离或贴合状态，自适应涡轮和变速器视情处于工作或停车状态，飞轮视情处于保持原状态、加速状态或减速状态。该闭式布雷顿循环系统能够根据系统的工作状态参数和外部载荷环境变化，通过系统的自适应调节，实现系统在空间环境下的稳定可靠运行。
本发明的技术方案：
一种自适应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、自适应涡轮、变速器、飞轮离合器、飞轮、电机离合器、旁通阀、涡轮进口温度传感器、涡轮进口压力传感器和主轴转速传感器。
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和旁通阀的输入端相连接；
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，所述电机的转轴一端同涡轮的转轴相联接，所述电机的转轴的另一端同电机离合器相联接；
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适应涡轮的出口相连接，所述冷却器的出口通过连接管路同压气机的进口相连接。
所述自适应涡轮用于根据闭式布雷顿循环热电转换系统工作状态参数变化调节热能向机械能的转换量，所述自适应涡轮的进口通过连接管路同旁通阀的输出端相连接，所述自适应涡轮的出口通过连接管路同冷却器的进口相连接，所述自适应涡轮的转轴同变速器的转轴相联接；
所述变速器用于将自适应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适应涡轮的转轴相联接，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自适应涡轮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；
所述电机离合器用于控制飞轮与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电机的转轴相联接；
所述旁通阀用于控制自适应涡轮的工作状态，所述旁通阀的输入端同加热器的出口相连接，所述旁通阀的输出端同自适应涡轮的进口相连接；
所述涡轮进口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，所述涡轮进口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；
所述涡轮进口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，所述涡轮进口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；
所述主轴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。
上述一种自适应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，所述旁通阀处于关闭状态，所述飞轮离合器处于分离状态，所述电机离合器处于分离状态；
当所述涡轮进口温度传感器的数值超过规定值时，所述旁通阀处于开启状态，所述自适应涡轮处于工作状态，所述飞轮离合器处于贴合状态，所述飞轮处于工作状态；
当所述涡轮进口压力传感器的数值超过规定值时，所述旁通阀处于开启状态，所述自适应涡轮处于工作状态，所述飞轮离合器处于贴合状态，所述飞轮处于工作状态；
当所述主轴转子转速传感器的数值超过规定值时，所述旁通阀处于开启状态，所述自适应涡轮处于工作状态，所述飞轮离合器处于贴合状态，所述飞轮处于工作状态，所述电机离合器处于分离状态。
当闭式布雷顿循环热电转换系统的输出电量要求增大时，所述电机离合器处于贴合状态，所述飞轮处于工作状态，，所述飞轮将机械能传递给所述电机转变为电能；
当闭式布雷顿循环热电转换系统受到外部载荷作用需要保持系统姿态稳定时，所述飞轮离合器处于分离状态，所述电机离合器处于贴合状态，所述飞轮处于工作状态，所述飞轮与所述涡轮的转轴之间进行机械能传递。。
本发明的有益效果是：
一种自适应闭式布雷顿循环热电转换系统，采用自适应涡轮、旁通阀和飞轮，能够在系统工作状态参数出现异常时，通过对比涡轮进口温度传感器、涡轮进口压力传感器和主轴转速传感器的测量值同规定值之间的差异，及时将热能转变为机械能。采用飞轮离合器和电机离合器，能够根据系统能量传递需要，控制自适应涡轮同飞轮以及飞轮同电机之间的功率传递。采用变速器可以满足自适应涡轮与飞轮之间以不同转速或扭矩进行功率传递。通过电机离合器来控制飞轮与电机之间功率的传递，能够使系统有效适应外部载荷环境的变化，便于系统输出电量和稳定力矩在一定范围之内的调节。该系统及控制方法能够增强空间用闭式布雷顿循环热电转换系统的自适应性，防止系统在工作状态参数异常或受外部载荷环境干扰时发生故障，有效提升系统工作可靠性。
附图说明
图1是一种自适应闭式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自适应涡轮 8变速器 9飞轮离合器 10飞轮 11电机离合器
12旁通阀 13涡轮进口温度传感器 14涡轮进口压力传感器
15主轴转速传感器 16回热器热侧进口 17回热器热侧出口
18回热器冷侧进口 19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。
本发明提供了一种自适应闭式循环热电转换系统，其目的在于增强空间用闭式布雷顿循环热电转换系统的自适应性，防止系统在工作状态参数异常或受外部载荷环境变化时发生故障，提升系统工作可靠性。
如图1所示，一种自适应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、自适应涡轮7、变速器8、飞轮离合器9、飞轮10、电机离合器11、旁通阀12、涡轮进口温度传感器13、涡轮进口压力传感器14和主轴转速传感器15。
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19相连接，所述加热器1的出口通过连接管路同涡轮2的进口和旁通阀12的输入端相连接；
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16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18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的转轴一端同涡轮2的转轴相联接，所述电机4的转轴的另一端同电机离合器11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5的热侧进口16通过连接管路同涡轮2的出口相连接，所述回热器5的热侧出口17通过连接管路同冷却器6的进口相连接，所述回热器5的冷侧进口18通过连接管路同压气机3的出口相连接，所述回热器5的冷侧出口19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17和自适应涡轮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。
所述自适应涡轮7用于根据闭式布雷顿循环热电转换系统工作状态参数变化调节热能向机械能的转换量，所述自适应涡轮7的进口通过连接管路同旁通阀12的输出端相连接，所述自适应涡轮7的出口通过连接管路同冷却器6的进口相连接，所述自适应涡轮7的转轴同变速器8的转轴相联接；
所述变速器8用于将自适应涡轮7输出的机械功以合适的转速和扭矩传递给飞轮9，所述变速器8的转轴一端同自适应涡轮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用于自适应涡轮7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；
所述电机离合器11用于控制飞轮10与电机4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的另一端同电机4的转轴相联接；
所述旁通阀12用于控制自适应涡轮7的工作状态，所述旁通阀12的输入端同加热器1的出口相连接，所述旁通阀12的输出端同自适应涡轮7的进口相连接；
所述涡轮进口温度传感器14用于监测闭式布雷顿循环热电转换系统中的工质温度，所述涡轮进口温度传感器14位于加热器1出口与涡轮2的进口之间的连接管路上；
所述涡轮进口压力传感器15用于监测闭式布雷顿循环热电转换系统中的工质压力，所述涡轮进口压力传感器15位于加热器1出口与涡轮2的进口之间的连接管路上；
所述主轴转速传感器16用于监测闭式布雷顿循环热电转换系统中涡轮2、压气机3和电机4的转子工作转速。
上述一种自适应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，所述旁通阀12处于关闭状态，所述飞轮离合器9处于分离状态，所述电机离合器11处于分离状态；
当所述涡轮进口温度传感器14的数值超过规定值时，所述旁通阀12处于开启状态，所述自适应涡轮7处于工作状态，所述飞轮离合器9处于贴合状态，所述飞轮10处于工作状态；
当所述涡轮进口压力传感器15的数值超过规定值时，所述旁通阀12处于开启状态，所述自适应涡轮7处于工作状态，所述飞轮离合器9处于贴合状态，所述飞轮10处于工作状态；
当所述主轴转子转速传感器13的数值超过规定值时，所述旁通阀12处于开启状态，所述自适应涡轮7处于工作状态，所述飞轮离合器处于9贴合状态，所述飞轮10处于工作状态，所述电机离合器11处于分离状态。
当闭式布雷顿循环热电转换系统的输出电量要求增大时，所述电机离合器11处于贴合状态，所述飞轮10处于工作状态，所述飞轮10将机械能传递给所述电机4转变为电能；
当闭式布雷顿循环热电转换系统受到外部载荷作用需要保持系统姿态稳定时，所述飞轮离合器9处于分离状态，所述电机离合器11处于贴合状态，所述飞轮10处于工作状态，所述飞轮10与所述涡轮2的转轴之间进行机械能传递。
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 (8)

1.一种自适应闭式循环热电转换系统，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)、自适应涡轮(7)、变速器(8)、飞轮离合器(9)、飞轮(10)、电机离合器(11)、旁通阀(12)、涡轮进口温度传感器(13)、涡轮进口压力传感器(14)和主轴转速传感器(15)；
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(19)相连接，所述加热器(1)的出口通过连接管路同涡轮(2)的进口和旁通阀(12)的输入端相连接；
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(16)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(18)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)的转轴一端同涡轮(2)的转轴相联接，所述电机(4)的转轴的另一端同电机离合器(11)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(5)的热侧进口(16)通过连接管路同涡轮(2)的出口相连接，所述回热器(5)的热侧出口(17)通过连接管路同冷却器(6)的进口相连接，所述回热器(5)的冷侧进口(18)通过连接管路同压气机(3)的出口相连接，所述回热器(5)的冷侧出口(19)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(17)和自适应涡轮(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。
所述自适应涡轮(7)用于根据闭式布雷顿循环热电转换系统工作状态参数变化调节热能向机械能的转换量，所述自适应涡轮(7)的进口通过连接管路同旁通阀(12)的输出端相连接，所述自适应涡轮(7)的出口通过连接管路同冷却器(6)的进口相连接，所述自适应涡轮(7)的转轴同变速器(8)的转轴相联接；
所述变速器(8)用于将自适应涡轮(7)输出的机械功以合适的转速和扭矩传递给飞轮(9)，所述变速器(8)的转轴一端同自适应涡轮(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)用于自适应涡轮(7)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(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；
所述旁通阀(12)用于控制自适应涡轮(7)的工作状态，所述旁通阀(12)的输入端同加热器(1)的出口相连接，所述旁通阀(12)的输出端同自适应涡轮(7)的进口相连接；
所述涡轮进口温度传感器(14)用于监测闭式布雷顿循环热电转换系统中的工质温度，所述涡轮进口温度传感器(14)位于加热器(1)出口与涡轮(2)的进口之间的连接管路上；
所述涡轮进口压力传感器(15)用于监测闭式布雷顿循环热电转换系统中的工质压力，所述涡轮进口压力传感器(15)位于加热器(1)出口与涡轮(2)的进口之间的连接管路上；
所述主轴转速传感器(16)用于监测闭式布雷顿循环热电转换系统中涡轮(2)、压气机(3)和电机(4)的转子工作转速。
2.根据权利要求1所述的一种自适应闭式循环热电转换系统，其特征在于：所述电机离合器(11)用于控制飞轮(10)与电机(4)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)的另一端同电机(4)的转轴相联接；
3.根据权利要求1所述的一种自适应闭式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，所述旁通阀(12)处于关闭状态，所述飞轮离合器(9)处于分离状态，所述电机离合器(11)处于分离状态；
4.根据权利要求1所述的一种自适应闭式循环热电转换系统的控制方法，其特征在于：当所述涡轮进口温度传感器(14)的数值超过规定值时，所述旁通阀(12)处于开启状态，所述自适应涡轮(7)处于工作状态，所述飞轮离合器(9)处于贴合状态，所述飞轮(10)处于工作状态；
5.根据权利要求1所述的一种自适应闭式循环热电转换系统的控制方法，其特征在于：当所述涡轮进口压力传感器(15)的数值超过规定值时，所述旁通阀(12)处于开启状态，所述自适应涡轮(7)处于工作状态，所述飞轮离合器(9)处于贴合状态，所述飞轮(10)处于工作状态；
6.根据权利要求1所述的一种自适应闭式循环热电转换系统的控制方法，其特征在于：当所述主轴转速传感器(13)的数值超过规定值时，所述旁通阀(12)处于开启状态，所述自适应涡轮(7)处于工作状态，所述飞轮离合器处于(9)贴合状态，所述飞轮(10)处于工作状态，所述电机离合器(11)处于分离状态。
7.根据权利要求1所述的一种自适应闭式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的输出电量要求增大时，所述电机离合器(11)处于贴合状态，所述飞轮(10)处于工作状态，所述飞轮(10)将机械能传递给所述电机(4)转变为电能；
8.根据权利要求1所述的一种自适应闭式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受到外部载荷作用需要保持系统姿态稳定时，所述飞轮离合器(9)处于分离状态，所述电机离合器(11)处于贴合状态，所述飞轮(10)处于工作状态，所述飞轮(10)与所述涡轮(2)的转轴之间进行机械能传递。
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BERNARD Much of this article was excerpted by special permission from Oil & Gas Journal, December 4, 1986, copyright© 1986 by Pennwell Publishing Co., Tulsa, OK 74101. CMB RUSSELL
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