RU2508460C1 - Космическая энергетическая установка с машинным преобразованием энергии - Google Patents

Abstract

Космическая энергетическая установка с машинным преобразованием энергии содержит замкнутый контур с газообразным рабочим телом, реализующим замкнутый термодинамический цикл Брайтона. В состав замкнутого термодинамического цикла входят источник тепла, турбокомпрессор, кинематически связанный с электрогенератором, регенератор тепла, теплообменник, теплопередающим трактом включенный в контур с газообразным рабочим телом, теплопринимающим трактом - в замкнутый контур с жидким рабочим телом для отвода низкопотенциального тепла, включающий также устройство для прокачки жидкого рабочего тела через контур, и холодильник-излучатель тепла в космическое пространство. Устройство для прокачки выполнено в виде турбонасосного агрегата, кинематически связанного с электрогенератором. Теплообменник выполнен в виде генератора перегретого пара, использующего низкопотенциальное тепло, отбираемое от газообразного рабочего тела энергоустановки. Холодильник-излучатель выполнен в виде конденсатора пара с функцией последующего охлаждения конденсата. Вход в насос турбонасосного агрегата сообщен с выходом проточного тракта холодильника-излучателя, выход насоса - с входом в теплопринимающий тракт теплообменника-парогенератора - в противоток его теплопередающему тракту. Вход в турбину турбонасосного агрегата сообщен с выходом теплопринимающего тракта теплообменника-парогенератора, а ее выход - с входом в гидравлический тракт холодильника-излучателя. Изобретение направлено на повышение энергомассовых характеристик космических энергетических установок с машинным преобразованием энергии путем уменьшения доли сбрасываемого в окружающее пространство тепла. 1 ил.

Description

Изобретение относится к области энергетического машиностроения, в частности к конструкциям энергетических установок космического назначения, и может быть использовано в космических аппаратах с электрореактивными двигателями и других космических объектах с большой мощностью электропотребления в течение длительного времени.

Известно, что лучшие энергомассовые характеристики среди различных типов космических энергетических установок большой мощности (100…1000 кВт) имеют установки с машинным преобразованием тепловой энергии в электрическую энергию, реализующие замкнутый термодинамический цикл Брайтона, включающий нагрев газообразного рабочего тела, преобразование тепловой энергии в механическую энергию посредством турбокомпрессора, регенерацию части оставшегося в рабочем теле после преобразования тепла и отвод остаточного (после регенерации) низкопотенциального тепла из рабочего контура во внешнюю среду. Схема такой космической энергетической установки представлена в книге: А.А.Гуров, Д.Д.Севрук, Д.И.Сурков Конструкция и проектирование двигательных установок. М., Машиностроение, 1980 г., стр.16, рис. 1.4.

Недостатки такой установки обусловлены тем, что в замкнутый рабочий контур включен проточный тракт теплообменника-излучателя, обеспечивающего отвод низкопотенциального тепла, что не позволяет реализовать основное преимущество замкнутых турбокомпрессорных установок - возможность существенного увеличения мощности и коэффициента полезного действия (кпд) за счет повышения давления газообразного рабочего тела в замкнутом рабочем контуре, без значительного повышения массы холодильника-излучателя в связи с необходимостью повышения прочности его проточного тракта по всей поверхности излучения.

Более высокие энергомассовые характеристики обеспечиваются введением специального замкнутого контура для отвода тепла посредством жидкого теплоносителя. В этот контур кроме проточного тракта холодильника-излучателя включен проточный тракт теплообменника-холодильника, предназначенного для отбора низкопотенциального тепла из рабочего контура (с выхода регенератора), и устройство для прокачки жидкого рабочего тела через контур. Схема такой установки с отводом низкопотенциального тепла посредством теплообменника-холодильника в жидкий теплоноситель-охладитель разработана для атомных электростанций и представлена в книге: А.Г.Костюк, А.Н.Шерстюк Газотурбинные установки. М., Высшая школа, 1979 г., стр.240, рис. 8.15а). На рисунке контур отвода тепла не замкнут - его замыкание подразумевается через сеть водоснабжения атомной электростанции, предусматривающей собственное устройство для прокачки воды через теплообменник-холодильник и ее охлаждение после теплообменника-холодильника либо в водоеме при электростанции, либо в градирне. Для космической энергетической установки, где эти решения неприемлемы, охлаждение жидкого теплоносителя (воды) возможно лишь посредством холодильника-излучателя.

Такая космическая энергетическая установка, включающая описанные выше рабочий контур и контур отвода тепла на жидком рабочем теле - теплоносителе с низким давлением в проточном тракте холодильника-излучателя принята за прототип предлагаемого изобретения.

Недостатки прототипа (как и аналога) обусловлены тем, что значительная часть тепла, содержащаяся в газообразном рабочем теле - теплоносителе рабочего контура после регенератора сбрасывается через контур теплоотвода в космическое пространство и не используется для выработки электроэнергии, что устанавливает теоретически возможный предел кпд термодинамического цикла и установки в целом.

Так расчетные оценки, проведенные применительно к космической энергетической установке с полезной электрической мощностью 900 кВт, использующей в качестве рабочего тела рабочего контура гелий-ксеноновую смесь и реализующей замкнутый термодинамический цикл Брайтона, показывают, что при давлении на входе в компрессор - 15 ата, степени сжатия компрессора - 2,6 и температуре рабочего тела на входе в турбину - 1235 К, с регенерацией тепла после турбины при эффективности регенератора 0,92 и охлаждением рабочей смеси до 320 К за счет теплоотвода низкопотенциального тепла из рабочего контура после регенератора (температура ≤573 К) посредством контура отвода тепла, при максимально возможных к.п.д. компрессора и турбины (0,8 и 0,9 соответственно) кпд термодинамического цикла не превышает величины 0,286; при этом кпд энергоустановки (с учетом потерь в электрогенераторе) ≤0,27.

Предлагаемое изобретение направлено на повышение экономичности космической энергетической установки с машинным преобразованием энергии путем уменьшения доли сбрасываемого в окружающее пространство тепла. Результат обеспечивается тем, что в космической энергетической установке с машинным преобразованием энергии, реализующей термодинамический цикл Брайтона в замкнутом рабочем контуре, в состав которого входят нагреватель, турбокомпрессор, кинематически связанный с электрогенератором, регенератор тепла, теплообменник, включенный теплопередающим трактом в рабочий контур после регенератора, а теплопринимающим трактом - в замкнутый контур отвода низкопотенциального тепла, использующий в качестве рабочего тела жидкость (воду, спирт и т.п.), в состав которого также входят устройства для прокачки жидкости через контур и холодильник-излучатель тепла в космическое пространство, устройство для прокачки выполнено в виде турбонасосного агрегата, кинематически связанного с электрогенератором, теплообменник выполнен как генератор перегретого пара, использующий низкопотенциальное тепло, отводимое из рабочего контура, а холодильник-излучатель выполнен в виде конденсатора пара с функцией последующего охлаждения конденсата, причем вход в насос турбонасосного агрегата сообщен с выходом тракта холодильника-излучателя, выход насоса - со входом в теплопринимающий тракт теплообменника-парогенератора - в противоток его теплопередающему тракту, вход в турбину турбонасосного агрегата сообщен с выходом теплопринимающего тракта теплообменника-парогенератора, а ее выход - со входом тракта холодильника-излучателя.

При таком исполнении конструкции космической энергетической установки часть отводимого из рабочего контура низкопотенциального тепла преобразуется в механическую энергию паровой турбины турбонасосного агрегата, которая в незначительном количестве (~3%) тратится на привод насоса, а в основном - на привод электрогенератора, дополнительно к механической энергии турбокомпрессора, вследствие чего при неизменной тепловой мощности нагревателя, мощность вырабатываемой энергетической установкой электроэнергии и, соответственно, кпд энергетической установки увеличивается. Расчетная оценка, проведенная применительно к указанной выше космической энергетической установке, показывает, что при выполнении ее конструкции в соответствии с предлагаемым изобретением возможно повышение ее электрической мощности на -100 кВт (до 1030 кВт), а кпд - до величины -0,31 (на -14,5%).

На чертеже представлена принципиальная схема космической энергетической установки.

В состав установки входят замкнутый рабочий контур, включающий нагреватель в виде ядерного реактора 1, турбокомпрессор 2, соединенный валом через муфту 3 с валом электрогенератора 4, регенератор 5, теплопередающий тракт теплообменника-парогенератора 6, а также замкнутый контур теплоотвода, включающий теплопринимающий тракт теплообменника-парогенератора 6, турбонасосный агрегат 7, соединенный валом через муфту 8 с валом электрогенератора 4, и холодильник-излучатель 9.

При работе космической энергетической установки, в рабочем контуре, реализующем термодинамический цикл Брайтона, тепловая энергия газообразного рабочего тела, полученная от нагревателя 1, частично преобразуется в механическую энергию турбокомпрессора 2, обеспечивающего вращение ротора электрогенератора 4 посредством момента силы, передаваемого через муфту 3. Электрогенератор 4 преобразует механическую энергию вращения в электрическую энергию. При этом часть тепловой энергии газообразного рабочего тела с выхода турбины турбокомпрессора 2 посредством регенератора 5 передается в рабочее тело на выходе компрессора турбокомпрессора 2, а низкопотенциальное тепло рабочего тела, на выходе регенератора 5, передается посредством теплообменника-парогенератора 6 в контур отвода тепла. При этом температура газообразного рабочего тела на входе в компрессор турбокомпрессора 2 понижается до величины, заданной термодинамическим циклом Брайтона, а отводимое из рабочего контура тепло в теплообменнике-парогенераторе 6 частично тратится на парообразование и перегрев пара. Перегретый пар из теплообменника-парогенератора 6 поступает на турбину турбонасосного агрегата 7, где тепловая энергия перегретого пара преобразуется в механическую энергию турбины турбонасосного агрегата 7, незначительная часть которой расходуется на привод насоса турбонасосного агрегата, а основная часть - через муфту 8 - передается на привод электрогенератора 4, который преобразует ее в электрическую энергию. Перегретый пар с выхода турбины турбонасосного агрегата 7 поступает в холодильник-излучатель 9, где конденсируется с последующим охлаждением конденсата до заданной температуры, после чего охлажденный конденсат поступает на вход в насос турбонасосного агрегата 7.

Таким образом в контуре отвода тепла реализуется добавочная мощность привода электрогенератора, что увеличивает электрическую мощность, вырабатываемую космической энергетической установкой без повышения тепловой мощности нагревателя, соответственно увеличивая коэффициент полезного действия энергоустановки.

Claims (1)

1. Космическая энергетическая установка с машинным преобразованием энергии, содержащая замкнутый контур с газообразным рабочим телом, реализующим замкнутый термодинамический цикл Брайтона, в состав которой входят источник тепла, турбокомпрессор, кинематически связанный с электрогенератором, регенератор тепла, теплообменник, теплопередающим трактом включенный в контур с газообразным рабочим телом, теплопринимающим трактом - в замкнутый контур с жидким рабочим телом для отвода низкопотенциального тепла, включающий также устройство для прокачки жидкого рабочего тела через контур, и холодильник-излучатель тепла в космическое пространство, отличающаяся тем, что устройство для прокачки выполнено в виде турбонасосного агрегата, кинематически связанного с электрогенератором, теплообменник - в виде генератора перегретого пара, использующего низкопотенциальное тепло, отбираемое от газообразного рабочего тела энергоустановки, а холодильник-излучатель - в виде конденсатора пара с функцией последующего охлаждения конденсата, причем вход в насос турбонасосного агрегата сообщен с выходом проточного тракта холодильника-излучателя, выход насоса - с входом в теплопринимающий тракт теплообменника-парогенератора - в противоток его теплопередающему тракту, вход в турбину турбонасосного агрегата сообщен с выходом теплопринимающего тракта теплообменника-парогенератора, а ее выход - с входом в гидравлический тракт холодильника-излучателя.