RU2586797C1 - Космическая энергетическая установка с машинным преобразованием энергии - Google Patents
Космическая энергетическая установка с машинным преобразованием энергии Download PDFInfo
- Publication number
- RU2586797C1 RU2586797C1 RU2015113128/06A RU2015113128A RU2586797C1 RU 2586797 C1 RU2586797 C1 RU 2586797C1 RU 2015113128/06 A RU2015113128/06 A RU 2015113128/06A RU 2015113128 A RU2015113128 A RU 2015113128A RU 2586797 C1 RU2586797 C1 RU 2586797C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- power plant
- turbine
- heat
- power
- temperature
- Prior art date
Links
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 title claims description 6
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 28
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 abstract 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 10
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 5
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 3
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 3
- PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N Glycerine Chemical compound OCC(O)CO PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 2
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 2
- 239000002826 coolant Substances 0.000 description 1
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 1
- 238000001953 recrystallisation Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
- F02C6/00—Plural gas-turbine plants; Combinations of gas-turbine plants with other apparatus; Adaptations of gas-turbine plants for special use
- F02C6/02—Plural gas-turbine plants having a common power output
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Control Of Eletrric Generators (AREA)
Abstract
Изобретение относится к объектам энергетического машиностроения. В космической энергетической установке в трубопровод между источником тепла и турбиной устанавливается смеситель, сообщенный дополнительным трубопроводом, включающим управляемый посредством электропривода дроссель, с трубопроводом между выходом компрессора и входом тепловоспринимающего тракта теплообменника-рекуператора. Изобретение позволяет улучшить ресурсные характеристики энергоустановки за счет уменьшения времени ее работы при максимальной температуре рабочего тела на входе в турбину при снижении энергопотребления. 1 ил.
Description
Изобретение относиться к области энергетического машиностроения и может быть использовано в конструкциях космических турбокомпрессорных энергетических установок с газообразным рабочим телом, реализующим замкнутый термодинамический цикл (цикл Брайтона).
Основным фактором, определяющим эффективность термодинамического цикла преобразования тепловой энергии в механическую и, следовательно, коэффициент полезного действия (КПД) машинного преобразования энергии, в частности, в турбокомпрессорной установке, реализующей замкнутый термодинамический цикл (цикл Брайтона), является разность максимальной и минимальной температуры в цикле - температура рабочего тела на входе в турбину и в компрессор. Например, расчетная оценка, проведенная применительно к турбокомпрессорной установке мощностью 200 кВт и реализующей термодинамический цикл Брайтона, показывает, что при снижении температуры на входе в турбину с 1500 К до 1200 К коэффициент полезного действия энергоустановки при температуре на входе в компрессор 320 К падает с 0,35 до 0,25.
Другим основным фактором, определяющим эффективность энергетической установки, является ее ресурс, который особенно важен для энергетической установки космического назначения, обслуживание и ремонт которой затруднен, а в большинстве случаев невозможен.
Известна электрогенераторная турбокомпрессорная установка, разработанная фирмой "CapstoneTurbineCorporation", мощностью 200 кВт, в основу которой положен открытый термодинамический цикл с регенерацией тепла, предназначенная для работы в условиях земной атмосферы при температуре рабочего тела турбины ~1050 К. Данная установка имеет достаточно высокий КПД из-за условий ее использования, в частности относительно низкой температуры окружающей среды, обеспечивающей достаточную разность максимальной и минимальной температур цикла (в условиях Земли температура воздуха на входе в компрессор составляет от 250 до 310 К), а также из-за отсутствия разницы давлений на входе в компрессор и на выходе турбины (как следствие незамкнутого термодинамического цикла). Данная установка имеет также большой заявленный ресурс (до 20 лет) вследствие относительно низкой температуры на входе в турбину.
Однако в условиях космоса открытый термодинамический цикл на практике не может применяться ввиду ограниченности запаса рабочего тела.
Известна принятая за прототип изобретения космическая энергетическая установка, с машинным преобразованием энергии в замкнутом контуре с газообразным рабочим телом, реализующая замкнутый термодинамический цикл Брайтона, в состав которой входят источник тепла, например, ядерный реактор, теплообменник-рекуператор, теплообменник-холодильник для отвода низкопотенциального тепла из газообразного рабочего тела контура посредством жидкого теплоносителя на холодильник-излучатель тепла в космическое пространство, турбокомпрессор, кинематически связанный с валом ротора электрогенератора (патент РФ №2508460 от 27.02.2014 г. ).
В данной энергоустановке для достижения значения КПД цикла, сравнимого с КПД аналога, необходимо обеспечивать большую, чем в аналоге, разность температур на входе в турбину и на входе в компрессор, так как в ней существуют дополнительные затраты мощности на преодоление гидросопротивления тракта на участке контура между выходом из турбины и входом в компрессор, в том числе гидросопротивления теплообменника-холодильника, что возможно лишь за счет повышения температуры на входе в турбину, так как снижение температуры на входе в компрессор влечет за собой необходимость существенного увеличения (при мощности энергоустановки 200 кВт - на сотни квадратных метров) площади холодильника-излучателя, его массы и, соответственно, массы энергоустановки до величины, исключающей возможность ее выведения современными ракетами-носителями (РН) даже на опорную орбиту Земли. Так, расчетная оценка показывает, что при доступных современным РН полезных нагрузках площадь (и, следовательно, масса) холодильника-излучателя энергоустановки, работающей по циклу Брайтона, обеспечивается при температуре рабочего тела на входе в компрессор ≥400 К. При такой минимальной температуре цикла достаточно высокий (до 0,3) КПД энергоустановки обеспечивается лишь при максимальной температуре цикла ~1500 К.
Однако увеличение максимальной температуры цикла (температуры на входе на турбину) при использовании современных и перспективных жаропрочных сплавов в качестве материалов для изготовления высокотемпературных турбин существенно снижает их ресурс, так как их долговременная прочность вследствие превышения температуры рекристаллизации снижается в несколько раз. Например, после 1000 часов воздействия температуры 1100°C допустимое для сплава НбЦУ напряжение σ1000 уменьшается в ~2 раза по сравнению с σв, а после 10000 часов σ10000=0,2σв (σв - предел прочности при нормальной температуре).
Таким образом, как следует из вышеуказанного, максимальный КПД и, соответственно, максимальная мощность энергоустановки обеспечивается при максимальной температуре рабочего цикла, при которой ресурс энергоустановки минимальный.
Однако максимальная электрическая мощность, вырабатываемая энергоустановкой космического назначения при эксплуатации ее, например, в составе космического буксира, требуется лишь при электропитании агрегатов с максимальной мощностью энергопотребления, таких как электрические (ионные, плазменные и т.п.) двигатели на активных участках функционирования буксира (создание импульсов тяги при коррекциях орбиты, выведение на траектории полета к Луне и т.д.), и составляет незначительную часть общего времени функционирования энергоустановки в составе буксира или другого космического аппарата. Остальное время работы энергоустановки может быть связано с необходимостью выработки значительно меньших электрических мощностей для обеспечения, например, электроснабжения обитаемых и автоматических орбитальных станций, модулей на орбите Луны, технологических процессов производства, строительства орбитальных комплексов в космическом пространстве и т.п.
При указанных условиях эксплуатации энергоустановки, принятой в качестве прототипа, выявляется ее существенный недостаток, который заключается в том, что независимо от необходимой потребителю электрической мощности энергоустановка работает при максимальной температуре рабочего тела на входе в турбину как в случае подключения балластных нагрузок для потребления излишней электрической мощности, вырабатываемой энергоустановкой без изменения максимального режима ее работы, так и при уменьшении тепловой мощности реактора и мощности энергоустановки за счет уменьшения давления рабочего тела и его массового расхода посредством откачки части газообразного рабочего тела из замкнутого контура установки.
Таким образом, вне зависимости от электрической мощности, подаваемой на потребители электроэнергии энергоустановка работает при максимальной температуре рабочего тела на входе в турбину, что снижает долговременную прочность турбины, на которую воздействуют значительные центробежные нагрузки, вследствие чего, снижается ресурс турбины и энергоустановки в целом.
Изобретение направлено на повышение ресурсных характеристик энергоустановки за счет уменьшения времени ее работы при максимальной температуре рабочего тела на входе в турбину при уменьшении мощности энергопотребления.
Результат обеспечивается тем, что в космической энергетической установке с машинным преобразованием энергии в замкнутом контуре с газообразным рабочим телом, реализующим термодинамический цикл Брайтона, в состав которой входят источник тепла (реактор), теплообменник-рекуператор, теплообменник-холодильник системы отвода низкопотенциального тепла из контура на холодильник-излучатель тепла в космическое пространство, турбокомпрессор, электрогенератор, ротор которого кинематически связан с валом турбокомпрессора, и трубопроводы, образующие замкнутый контур, в трубопровод между источником тепла и турбиной включен смеситель, сообщенный дополнительным трубопроводом, включающим управляемый посредством электропривода дроссель, с трубопроводом между выходом компрессора и входом тепловоспринимающего тракта теплообменника-рекуператора.
Предложенная схема турбокомпрессорной энергетической установки позволяет при снижении мощности потребления электроэнергии оперативно уменьшить мощность энергоустановки с уменьшением температуры рабочего тела на входе в турбину, за счет увеличения доли низкотемпературного рабочего тела в смеси с нагретым до максимальной температуры рабочим телом, поступающим из источника тепла (реактора) в смеситель, вследствие увеличения расхода перепуска с выхода компрессора в обход источника тепла (реактора) при уменьшении гидросопротивления магистрали перепуска посредством управляемого электроприводом дросселя.
Таким образом, при максимальной температуре рабочего тела турбины, энергоустановка работает лишь на максимальной мощности энергопотребления и выработки электроэнергии; в остальных случаях эта температура уменьшается. Расчетная оценка показывает, что для энергоустановки мощностью 200 кВт, реализуемой при температуре на входе в турбину 1500 К, за счет перепуска в обход реактора 22% расхода рабочего тела обеспечивается мощность 92 кВт при температуре рабочего тела на входе в турбину 1185 К, а в случае 33% перепуска мощность энергоустановки составляет 43 кВт при температуре на входе в турбину 1059 К. Соответственно, долговременная прочность материала турбины при данных температурах увеличивается в 3,6 и 8 раз, а оцененный (по времени достижения равной прочности) ресурс турбины и энергоустановки при этих температурах увеличивается в 2,6 и 5 раз.
На чертеже представлена принципиальная схема предлагаемой космической энергетической установки.
В состав энергоустановки входят турбокомпрессор, включающий турбину 1 и компрессор 2, источник тепла (реактор) 3, теплообменник-рекуператор 4, теплообменник-холодильник 5, трубопроводы 6, образующие замкнутый контур энергоустановки, смеситель 7, включенный в трубопровод 6 между источником тепла и турбиной 1, трубопровод 8, сообщающий трубопровод 6 между выходом компрессора и входом в тепловоспринимающий тракт теплообменника-рекуператора 4, и смеситель 7, дроссель 9, включенный в трубопровод 8 и управляемый электроприводом 10, электрогенератор 11, кинематически связанный с турбокомпрессором.
При работе на максимальной мощности выработки электроэнергии электрогенератором 11, дроссель 9 закрыт, расход рабочего тела с выхода компрессора 2 в смеситель 7 через трубопровод 8 отсутствует, и газообразное рабочее тело контура из источника тепла 3 через смеситель 7 поступает на вход в турбину 1 с максимальной температурой, равной его температуре на выходе источника тепла (реактора) 3, чем обеспечивается максимальная мощность турбокомпрессора, поступающая на привод электрогенератора 11. При уменьшении потребной электрической мощности энергоустановки, одновременно со снижением тепловой мощности реактора 3 посредством электропривода 10 открывается дроссель 9, обеспечивая перепуск части рабочего тела из трубопровода 6 с выхода компрессора 2 через трубопровод 8 в обход реактора 3 в смеситель 7 и, при постоянстве расхода через контур, уменьшая расход через реактор 3 пропорционально снижению его тепловой мощности; при этом температура рабочего тела на выходе реактора 3 не изменяется. После смешения в смесителе 7 расхода рабочего тела, поступающего из реактора 3 при максимальной температуре, с расходом перепуска рабочего тела, при температуре на выходе из компрессора 2, температура рабочего тела на входе в турбину 1 снижается, вследствие чего мощность турбокомпрессора падает и энергоустановка переходит на пониженный режим электрической мощности электрогенератора 11, сбалансированной с заданной мощностью потребителя электроэнергии, при сохранении оборотов роторов турбокомпрессора-электрогенератора и, следовательно, заданных параметров электрического напряжения, подаваемого на потребитель электроэнергии. На установившемся пониженном режиме энергоустановка продолжает работу при пониженной температуре рабочего тела турбины, обеспечивающей увеличение ресурса турбины и энергоустановки в целом.
Использование изобретения позволяет создать космическую энергетическую установку с машинным преобразованием энергии с управляемой электрической мощностью электрогенератора при одновременном повышении ресурса энергоустановки.
Claims (1)
- Космическая энергетическая установка с машинным преобразованием энергии в замкнутом контуре с газообразным рабочим телом, в состав которой входят источник тепла, теплообменник-рекуператор, теплообменник-холодильник системы отвода низкопотенциального тепла на холодильник-излучатель тепла в космическое пространство, турбокомпрессор, электрогенератор, ротор которого кинематически связан с валом турбокомпрессора, трубопроводы, образующие замкнутый контур, отличающаяся тем, что в трубопровод между источником тепла и турбиной включен смеситель, сообщенный дополнительным трубопроводом, включающим управляемый посредством электропривода дроссель, с трубопроводом между выходом компрессора и входом тепловоспринимающего тракта теплообменника-рекуператора.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015113128/06A RU2586797C1 (ru) | 2015-04-09 | 2015-04-09 | Космическая энергетическая установка с машинным преобразованием энергии |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015113128/06A RU2586797C1 (ru) | 2015-04-09 | 2015-04-09 | Космическая энергетическая установка с машинным преобразованием энергии |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2586797C1 true RU2586797C1 (ru) | 2016-06-10 |
Family
ID=56115657
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2015113128/06A RU2586797C1 (ru) | 2015-04-09 | 2015-04-09 | Космическая энергетическая установка с машинным преобразованием энергии |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2586797C1 (ru) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2669609C1 (ru) * | 2017-07-03 | 2018-10-12 | "Государственный космический научно-производственный центр им. М.В. Хруничева" | Космическая энергетическая установка с машинным преобразованием энергии |
RU2686281C1 (ru) * | 2018-06-09 | 2019-04-24 | Государственный научный центр Российской Федерации - федеральное государственное унитарное предприятие "Исследовательский Центр имени М.В. Келдыша" | Устройство для сброса тепла в космическое пространство (варианты) |
RU2757147C1 (ru) * | 2020-11-10 | 2021-10-11 | Акционерное общество "КБхиммаш им. А.М. Исаева" | Энергетическая установка с машинным преобразованием энергии |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3579982A (en) * | 1967-07-27 | 1971-05-25 | Sulzer Ag | Gas turbine power plant including a nuclear reactor as heat source |
US4193266A (en) * | 1977-07-28 | 1980-03-18 | Bbc Brown Boveri & Company Limited | Gas turbine power plant |
GB2307277A (en) * | 1995-11-17 | 1997-05-21 | Branko Stankovic | Combined cycle powerplant with gas turbine cooling |
RU2508460C1 (ru) * | 2012-07-10 | 2014-02-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный космический научно-производственный центр имени М.В. Хруничева" | Космическая энергетическая установка с машинным преобразованием энергии |
RU2533672C1 (ru) * | 2013-07-18 | 2014-11-20 | Государственный научный центр Российской Федерации-федеральное государственное унитарное предприятие "Исследовательский Центр имени М.В. Келдыша" | Ядерная энергодвигательная установка космического аппарата |
-
2015
- 2015-04-09 RU RU2015113128/06A patent/RU2586797C1/ru active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3579982A (en) * | 1967-07-27 | 1971-05-25 | Sulzer Ag | Gas turbine power plant including a nuclear reactor as heat source |
US4193266A (en) * | 1977-07-28 | 1980-03-18 | Bbc Brown Boveri & Company Limited | Gas turbine power plant |
GB2307277A (en) * | 1995-11-17 | 1997-05-21 | Branko Stankovic | Combined cycle powerplant with gas turbine cooling |
RU2508460C1 (ru) * | 2012-07-10 | 2014-02-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный космический научно-производственный центр имени М.В. Хруничева" | Космическая энергетическая установка с машинным преобразованием энергии |
RU2533672C1 (ru) * | 2013-07-18 | 2014-11-20 | Государственный научный центр Российской Федерации-федеральное государственное унитарное предприятие "Исследовательский Центр имени М.В. Келдыша" | Ядерная энергодвигательная установка космического аппарата |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2669609C1 (ru) * | 2017-07-03 | 2018-10-12 | "Государственный космический научно-производственный центр им. М.В. Хруничева" | Космическая энергетическая установка с машинным преобразованием энергии |
RU2686281C1 (ru) * | 2018-06-09 | 2019-04-24 | Государственный научный центр Российской Федерации - федеральное государственное унитарное предприятие "Исследовательский Центр имени М.В. Келдыша" | Устройство для сброса тепла в космическое пространство (варианты) |
RU2757147C1 (ru) * | 2020-11-10 | 2021-10-11 | Акционерное общество "КБхиммаш им. А.М. Исаева" | Энергетическая установка с машинным преобразованием энергии |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR102587241B1 (ko) | 육상 또는 해양 기반의 다중-스풀 가스 터빈을 작동시키기 위한 시스템, 방법 및 컴퓨터 프로그램 | |
JP5232916B2 (ja) | 太陽熱ガスタービン及び太陽熱ガスタービン発電装置 | |
US20110210555A1 (en) | Gas turbine driven electric power system with constant output through a full range of ambient conditions | |
US10458269B2 (en) | Controllable multi-spool gas turbine plant with independent generator speed control and hollow turbine-compressor separator | |
EP3032099A1 (en) | Solar thermal power generation system | |
RU2586797C1 (ru) | Космическая энергетическая установка с машинным преобразованием энергии | |
KR20180120234A (ko) | 조합 사이클 파워 플랜트 | |
US10626746B2 (en) | Controllable two-spool gas turbine arrangement | |
Clementoni et al. | Startup and operation of a supercritical carbon dioxide Brayton cycle | |
EP3216988A1 (en) | Steam turbine plant | |
US20160290231A1 (en) | Heat pipe intercooling system for a turbomachine | |
US20100192572A1 (en) | Closed-cycle plant | |
US10401093B2 (en) | Thermal energy storage plant | |
Traverso et al. | Dynamic analysis of concentrated solar hybridised gas turbine | |
EP2899399A1 (en) | Solar power plant | |
RU151790U1 (ru) | Источник электроснабжения на основе гидравлической электрической станции | |
RU2629515C1 (ru) | Система для утилизации тепла замкнутого типа (варианты) | |
Willwerth et al. | Commissioning and tests of a mini CSP plant | |
DK180903B1 (en) | Pumped-heat thermal energy storage system | |
RU2748874C1 (ru) | Ядерная энергетическая установка | |
CN109386324B (zh) | 发电设备及其控制方法 | |
RU115023U1 (ru) | Магистральный газопровод | |
WO2016170653A1 (ja) | 蒸気タービンシステム | |
RU129173U1 (ru) | Установка для транспортирования природного газа | |
Olumayegun et al. | Influence of variations of flue gas and ambient temperature on the dynamics and performance of a MW scale supercritical CO2 waste heat to power unit |