王浩明，薛 翔，張銀勇，林慶國(guó)

(1. 上海空間推進(jìn)研究所，上海 201112；2.上?？臻g發(fā)動(dòng)機(jī)工程技術(shù)研究中心，上海 201112)

0 引言

隨著空間任務(wù)對(duì)能源動(dòng)力需求的不斷增長(zhǎng)，常規(guī)化學(xué)能和太陽能由于已無法適應(yīng)大范圍軌道轉(zhuǎn)移、空間拖船、深空探測(cè)等空間任務(wù)。核能以其長(zhǎng)期、穩(wěn)定的能量供應(yīng)和大功率輸出的特點(diǎn)，在可預(yù)期的未來成為了解決空間能源問題的唯一途徑。然而，核能只能提供熱能，雖然可以通過加熱氫來達(dá)到900s的高比沖核熱推進(jìn)，但是在實(shí)現(xiàn)7000s比沖以上的高效核電推進(jìn)、星表能源站或者其他科學(xué)載荷時(shí)需要進(jìn)一步將核的熱能轉(zhuǎn)化為電能。以核反應(yīng)堆為熱源的空間大功率電源的研究從20世紀(jì)50年代開始一致持續(xù)至今，并且逐漸向著更高的功率量級(jí)發(fā)展。

核反應(yīng)堆空間電源中除了反應(yīng)堆之外，熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)承擔(dān)了將熱能轉(zhuǎn)換成電能的重要任務(wù)。熱電轉(zhuǎn)換方式主要包括靜態(tài)轉(zhuǎn)換(溫差、熱離子、堿金屬等)和動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換(朗肯循環(huán)、布雷頓循環(huán)、斯特林循環(huán))兩類，其中動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換效率往往高于靜態(tài)轉(zhuǎn)換，一般情況下更適合大功率應(yīng)用場(chǎng)合。在動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換中，布雷頓循環(huán)相比于朗肯循環(huán)和斯特林循環(huán)，能夠兼顧轉(zhuǎn)換效率和系統(tǒng)質(zhì)量，更重要的是隨著系統(tǒng)功率的增加，布雷頓循環(huán)系統(tǒng)的質(zhì)量比功率(kg/kWe)逐漸減小。因此，國(guó)外百千瓦和兆瓦級(jí)核動(dòng)力飛行器均采用了布雷頓循環(huán)作為熱電轉(zhuǎn)換方案。

國(guó)外對(duì)于空間閉式布雷頓循環(huán)的研究起步較早，理論研究方面進(jìn)行了熱力循環(huán)的參數(shù)分析優(yōu)化、系統(tǒng)工作特性的仿真驗(yàn)證等工作；試驗(yàn)驗(yàn)證方面，從早期的十千瓦級(jí)小功率核心機(jī)的系統(tǒng)試驗(yàn)逐漸發(fā)展到多機(jī)組并聯(lián)閉式布雷頓循環(huán)研究、百千瓦級(jí)大功率核心機(jī)與電推進(jìn)聯(lián)合演示驗(yàn)證。國(guó)內(nèi)閉式布雷頓循環(huán)的研究主要集中在系統(tǒng)級(jí)的熱力學(xué)循環(huán)性能分析、基于重量尺寸和性能的多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化等，缺乏對(duì)具有空間應(yīng)用特點(diǎn)的閉式布雷頓循環(huán)動(dòng)態(tài)工作特性和運(yùn)行控制策略的研究。本文以美國(guó)普羅米修斯計(jì)劃的木星冰蓋衛(wèi)星軌道器Jupiter Icy Moon Obiter(JIMO)任務(wù)為研究對(duì)象，一方面在其總體循環(huán)參數(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)渦輪、壓氣機(jī)等關(guān)鍵組件進(jìn)行設(shè)計(jì)，獲取組件特性；另一方面，根據(jù)其總裝結(jié)構(gòu)，建立管路模型。最終，建立全系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真模型，對(duì)系統(tǒng)容積變化、旁通閥開關(guān)引起的系統(tǒng)狀態(tài)變化進(jìn)行分析研究。

1 JIMO項(xiàng)目概述

本世紀(jì)初，NASA開始了普羅米修斯計(jì)劃和JIMO任務(wù)。根據(jù)之前的技術(shù)積累，研制初期即確定了閉式布雷頓循環(huán)作為熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)采用簡(jiǎn)單回?zé)崾讲祭最D循環(huán)以提高轉(zhuǎn)換效率，系統(tǒng)輸出功率為200 kWe，采用兩個(gè)額定發(fā)電功率為100 kWe的閉式布雷頓循環(huán)發(fā)電模塊并聯(lián)實(shí)現(xiàn)。考慮到渦輪葉片材料以及輻射散熱系統(tǒng)的尺寸重量，循環(huán)高低溫端溫度分別取為1 150 K和411 K，系統(tǒng)壓比2.0，整體循環(huán)熱效率為22.3%。循環(huán)各處溫度壓力參數(shù)如圖1所示。

圖1 100 kW閉式布雷頓循環(huán)參數(shù)Fig.1 Parameters of 100 kW closedBrayton cycle

2 計(jì)算模型

2.1 循環(huán)工質(zhì)選擇

閉式布雷頓循環(huán)的工質(zhì)經(jīng)歷了空氣、氮?dú)狻⒑?、超臨界二氧化碳、氦基混合氣的過程。雖然空氣或者氮?dú)夥矫嬉延胸S富的葉輪機(jī)械設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，但是由于熱工性能特性較差，從流阻以及循環(huán)性能方面無法滿足空間高效、緊湊型布雷頓循環(huán)熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的應(yīng)用。超臨界二氧化碳工質(zhì)由于其密度高，便于葉輪機(jī)械的設(shè)計(jì)，理論上可以獲得較高的循環(huán)效率，但是由于二氧化碳在近臨界狀態(tài)下物性變化劇烈，對(duì)系統(tǒng)控制提出了更高的要求。同時(shí)，超臨界二氧化碳取得高轉(zhuǎn)換效率的前提是低溫端溫度接近30℃左右的臨界溫度，但是對(duì)于空間輻射散熱條件下，尤其是對(duì)于兆瓦及以上的大功率系統(tǒng)中，獲得30℃的循環(huán)低溫會(huì)大大增加輻射散熱系統(tǒng)的尺寸和重量。氦氣相比空氣和氮?dú)猓瑑?yōu)點(diǎn)在于其高熱導(dǎo)率和低粘度，但是其缺點(diǎn)在于過低的摩爾質(zhì)量導(dǎo)致了葉輪機(jī)械氣動(dòng)載荷的提高，增加設(shè)計(jì)難度。氦基混合氣在氦氣中混合其他摩爾質(zhì)量更高的氣體，一方面能夠減小葉輪機(jī)械的氣動(dòng)載荷，另一方面會(huì)導(dǎo)致熱工性能的下降。已有研究表明，氦、氙混合氣體是比較適合用于空間閉式布雷頓循環(huán)的循環(huán)工質(zhì)。其中，摩爾質(zhì)量為40 g/mol的氦氙混合氣適合于100 kWe級(jí)的大功率場(chǎng)合，摩爾質(zhì)量為83.8g/mol的氦氙混合氣適合于10 kWe級(jí)的小功率場(chǎng)合。

2.2 葉輪機(jī)械

根據(jù)系統(tǒng)循環(huán)流量和壓比，對(duì)閉式布雷頓循環(huán)中的渦輪和壓氣機(jī)進(jìn)行氣動(dòng)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)采用單級(jí)向心渦輪，額定工況點(diǎn)溫度壓力分別為1 150 K和1.34 MPa，設(shè)計(jì)膨脹比1.9。設(shè)計(jì)采用單級(jí)離心壓氣機(jī)，轉(zhuǎn)速為45 000 rpm，壓比2.0，額定工況點(diǎn)溫度和壓力分別為411 K和0.69 MPa。通過CFD仿真得到渦輪特性曲線如圖2所示，由此可以按式(1)得到渦輪和壓氣機(jī)折合轉(zhuǎn)速、折合流量下的性能曲線，以此得到不同工況下的渦輪、壓氣機(jī)壓比和效率。

(1)

圖2 渦輪與壓氣機(jī)特性曲線Fig.2 Turbine and compressor characteristics

2.3 換熱器

空間閉式布雷頓循環(huán)涉及換熱器包括回?zé)崞髋c冷卻器。換熱器特性可通過換熱有效度

ε

、壓力損失△

p

/

p

等無量綱參數(shù)來表示，參數(shù)定義如下

(2)

Δp

/

p

=(

p

-

p

)/

p

(3)

式中

p

和

p

分別為進(jìn)出口壓力。換熱器主要參數(shù)如表 1所示，表中下標(biāo)h和c分別表示換熱器熱側(cè)和冷側(cè)。

表1 JIMO換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)

2.4 管道模型

JIMO項(xiàng)目布雷頓循環(huán)總裝結(jié)構(gòu)如圖 3所示。與反應(yīng)堆的對(duì)接接口，預(yù)估布雷頓循環(huán)主回路各管道長(zhǎng)度如表2所示。

圖3 JIMO閉式布雷頓循環(huán)熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)總裝布局Fig.3 Layout of JIMO’s closed Bratyon cycle thermo-electric conversion system

表2 主回路管道長(zhǎng)度估算

2.5 系統(tǒng)模型

圖4為帶有旁通閥調(diào)節(jié)的閉式布雷頓循環(huán)動(dòng)態(tài)仿真模型，其中各組件之間的連接管道按表 2參數(shù)設(shè)置，計(jì)算過程基于以下假設(shè)：①不考慮系統(tǒng)漏熱；②壓氣機(jī)入口溫度保持411 K不變；③反應(yīng)堆通過簡(jiǎn)化模型代替。

圖4 閉式布雷頓循環(huán)動(dòng)態(tài)仿真模型Fig.4 Dynamic simulation model of closed Brayton cycle

3 旁路調(diào)節(jié)系統(tǒng)特性

3.1 系統(tǒng)參數(shù)變化

系統(tǒng)在額定工況下打開壓氣機(jī)與渦輪之間的旁通閥，壓氣機(jī)出口氣體中有一部分直接與渦輪出口氣體混合，圖 5為開閥后(閥門響應(yīng)時(shí)間為1 s)系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)的變化。由于經(jīng)過旁通閥的氣體不參與加熱和做功，因此核心機(jī)輸出功率和轉(zhuǎn)速在開閥后快速降低，在短時(shí)間(～4 s)內(nèi)達(dá)到新的平衡。從功率和轉(zhuǎn)速變化曲線中可以看到，從閥門開始動(dòng)作(0 s)至閥門完全打開(1 s)，功率和轉(zhuǎn)速均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；1 s以后轉(zhuǎn)速持續(xù)下降而功率呈現(xiàn)略有回升的趨勢(shì)。

圖5 系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)變化Fig.5 Variation of system parameters

造成這種現(xiàn)象的原因在于，旁通閥打開瞬間造成壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速突降，效率下降較快，同時(shí)在此過程中低壓側(cè)壓力開始升高。當(dāng)閥門停止動(dòng)作，低壓側(cè)升高的壓力導(dǎo)致旁通閥流量相比于全開瞬間有所下降，于是輸出功率逐漸回升。渦輪壓氣機(jī)方面，開閥后造成流經(jīng)熱源的流量變小，在加熱功率不變的條件下，渦輪入口溫度有所上升。同時(shí)由于轉(zhuǎn)速下降，一方面使得壓氣機(jī)壓比下降，出口溫度和壓力均降低，另一方面造成渦輪膨脹比下降，出口溫度升高。

3.2 旁通閥開度的影響

圖 6為旁通閥開度變化對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)的影響。旁通流量越大，系統(tǒng)功率和轉(zhuǎn)速下降程度越大，當(dāng)旁通流量達(dá)到主流的25%時(shí)，系統(tǒng)功率下降接近70%，轉(zhuǎn)速下降約20%。因此，在閉式布雷頓循環(huán)中如果采用旁通閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速和功率，需要控制旁通閥的開度，尤其是對(duì)于采用動(dòng)壓箔片軸承的核心機(jī)以免開度過大引起轉(zhuǎn)速驟降，導(dǎo)致軸承承載力不足。

圖6 不同旁通量下的系統(tǒng)功率和轉(zhuǎn)速變化Fig.6 Power output and rotating speed change with different bypass flow rates

3.3 旁通閥響應(yīng)時(shí)間的影響

圖 7為旁通閥(開度一致)不同響應(yīng)時(shí)間下系統(tǒng)開閥后的特性變化曲線。響應(yīng)時(shí)間大小不影響系統(tǒng)最終的平衡狀態(tài)。旁通閥響應(yīng)時(shí)間越短，系統(tǒng)變化過程越劇烈，并且系統(tǒng)再次達(dá)到平衡所需時(shí)間更小。將相對(duì)功率曲線中新平衡狀態(tài)下的值

P

與曲線中最小值

P

之差定義為超調(diào)量△

P

=

P

-

P

。從曲線數(shù)據(jù)可以看到，閥門響應(yīng)時(shí)間越小，超調(diào)量越大，因此在旁通閥調(diào)節(jié)過程中，需要考慮開閥后的超調(diào)量對(duì)系統(tǒng)的影響，防止由于超調(diào)造成負(fù)載過大導(dǎo)致核心機(jī)負(fù)載過大而轉(zhuǎn)速持續(xù)下降的問題。

圖7 閥門響應(yīng)速度對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)變化的影響Fig.7 Impact of valve response time on system state change

4 系統(tǒng)容積對(duì)旁路調(diào)節(jié)的影響

在閉式布雷頓循環(huán)總體參數(shù)以及各組件設(shè)計(jì)確定的條件下，影響系統(tǒng)容積的主要因素是各組件之間的連接管路，而連接管路的長(zhǎng)度與走向直接與系統(tǒng)布局有關(guān)，即系統(tǒng)總裝布局決定了系統(tǒng)容積。由于以反應(yīng)堆為熱源的空間閉式布雷頓循環(huán)系統(tǒng)在飛行器上的位置靠近核堆，因此總裝布局需要考慮：①減小閉式布雷頓循環(huán)系統(tǒng)橫截面積，通過減小屏蔽角來降低反應(yīng)堆屏蔽層質(zhì)量(約占反應(yīng)堆總重量的53%)；②減小管道長(zhǎng)度，降低系統(tǒng)流動(dòng)阻力。JIMO項(xiàng)目在反應(yīng)堆與閉式布雷頓循環(huán)氣體回路之間設(shè)有主換熱器，因此熱源容積按照主換熱容積計(jì)算。根據(jù)組件設(shè)計(jì)和表 2管道數(shù)據(jù)，系統(tǒng)各部分容積占比和循環(huán)高、低壓側(cè)容積對(duì)比如圖 8所示。系統(tǒng)容積構(gòu)成中高壓側(cè)與低壓側(cè)容積分別為54.04%和45.96%，其中回?zé)崞髡急茸畲筮_(dá)46.84%，管道次之，占30.63%。

圖8 閉式布雷頓循環(huán)各部分容積占比Fig.8 Volume percentage of each component in closed Brayton cycle

以表 2數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，改變管道長(zhǎng)度來計(jì)算不同管道容積(即總裝布局)下的系統(tǒng)性能變化，結(jié)果如圖 9所示。

圖9 不同容積下旁通閥調(diào)節(jié)對(duì)系統(tǒng)的影響Fig.9 Effect of bypass valve regulation on system under different volumes

圖9中200%和50%管道容積分別表示將表 2數(shù)據(jù)中的管道數(shù)據(jù)增加一倍和減半，管徑保持不變。管道長(zhǎng)度較大的系統(tǒng)容積較大，仿真計(jì)算過程中，保持初始系統(tǒng)中的工質(zhì)充裝壓力相同(容積大的系統(tǒng)工質(zhì)充裝質(zhì)量較大)。此時(shí)容積大的系統(tǒng)相比于容積較小的系統(tǒng)而言，在核心機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)系統(tǒng)壓比略小而流量略大。同時(shí)，旁通閥開度一致的情況下，旁通流量對(duì)于不同容積系統(tǒng)而言基本相同。因此容積大的系統(tǒng)在旁通閥打開并重新達(dá)到平衡后，功率略大于容積小的系統(tǒng)。即在相同的閥門開度和響應(yīng)時(shí)間下，旁通閥對(duì)系統(tǒng)功率變化的程度與系統(tǒng)容積呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的關(guān)系。值得注意的是，管道長(zhǎng)度增加必然導(dǎo)致流阻增加，但由于系統(tǒng)循環(huán)阻力主要集中在換熱器芯體，因此由此造成的功率下降并不明顯。

5 結(jié)論

本文利用JIMO熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)參數(shù)對(duì)壓氣機(jī)、渦輪進(jìn)行了氣動(dòng)設(shè)計(jì)，并且利用該系統(tǒng)換熱器參數(shù)得到了回?zé)崞髋c冷卻器的性能參數(shù)，最后基于各組件模型和管路布局形成了100 kWe空間閉式布雷頓循環(huán)熱電轉(zhuǎn)換動(dòng)態(tài)仿真模型，通過該模型對(duì)旁路調(diào)節(jié)下的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了仿真計(jì)算。結(jié)果表明：

1)通過壓氣機(jī)與渦輪兩者出口之間的旁通閥，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輸出功率和轉(zhuǎn)速的快速調(diào)節(jié)；同時(shí)，該調(diào)節(jié)方式會(huì)造成循環(huán)高壓側(cè)壓力下降和低壓側(cè)壓力上升，并且導(dǎo)致渦輪出口溫度升高和壓氣機(jī)出口溫度降低，由此對(duì)回?zé)崞髟斐梢欢_擊。

2)系統(tǒng)在旁通調(diào)節(jié)后的最終平衡狀態(tài)與閥門響應(yīng)時(shí)間無關(guān)，僅與閥門開度有關(guān)。

3)閥門響應(yīng)時(shí)間影響調(diào)節(jié)過程中參數(shù)變化的劇烈程度，尤其是功率變化出現(xiàn)超調(diào)的現(xiàn)象。

4)通過管道容積對(duì)比不同系統(tǒng)容積下旁路調(diào)節(jié)的系統(tǒng)特性，容積較大的系統(tǒng)在旁通流量一定的情況下，系統(tǒng)變化程度略小。