陳偉雄,梁鐵波,姜超,廖先偉,錢奕然,唐鑫,嚴(yán)俊杰

(1. 西安交通大學(xué)動(dòng)力工程多相流國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,710049,西安;2. 中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,610213,成都)

在空間動(dòng)力技術(shù)領(lǐng)域,穩(wěn)定、高能量密度、長(zhǎng)壽命的空間動(dòng)力系統(tǒng)是太空開發(fā)的研究重點(diǎn)?？臻g核反應(yīng)堆利用核裂變能量加熱推進(jìn)工質(zhì)或通過熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)發(fā)電,是未來應(yīng)用于太空核動(dòng)力以及星球表面核電源的重要能源系統(tǒng)。空間核反應(yīng)堆匹配的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)必須同時(shí)保證較高的能量轉(zhuǎn)換效率以及較小的質(zhì)量和體積,此外還必須滿足可靠性、靈活性、長(zhǎng)壽命等要求。目前,大功率空間核反應(yīng)堆一般采用動(dòng)態(tài)能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng),如布雷頓循環(huán)和斯特林循環(huán)系統(tǒng),其中布雷頓循環(huán)具有效率高、循環(huán)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、單位體積發(fā)電量高等特點(diǎn),是滿足兆瓦級(jí)核電系統(tǒng)的理想熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)[1]。

布雷頓循環(huán)的主要工質(zhì)有超臨界二氧化碳(SCO2)、氦氣、空氣等。SCO2布雷頓循環(huán)相較其他工質(zhì)循環(huán)更為高效,在中溫?zé)嵩?400～800℃)區(qū)間,其熱效率明顯高于其他工質(zhì)循環(huán)?？諝庾鳛楣べ|(zhì)的布雷頓循環(huán),其循環(huán)效率方面沒有明顯優(yōu)勢(shì),但空氣工質(zhì)容易獲取和補(bǔ)充,因此在可移動(dòng)微小型核電源領(lǐng)域有較好的應(yīng)用前景。國(guó)內(nèi)外研究表明,氦氣布雷頓循環(huán)在高溫氣冷堆領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景,使用氦氣等惰性氣體作為工質(zhì)具有很好的熱力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性,并可以最大限度地減少腐蝕問題,適應(yīng)較高的入口溫度,其效率更高。但由于氦氣摩爾質(zhì)量小且難以壓縮,需要多級(jí)數(shù)、大尺寸的葉輪設(shè)備以及換熱設(shè)備,因此,在空間布雷頓循環(huán)中,通常將循環(huán)工質(zhì)由純氦氣改為氦氙混合氣體。研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)使用特定比例的氦氙混合物作為工質(zhì)時(shí),其換熱性能比氦氣高或者與氦氣相當(dāng),且氦氙混合氣體壓縮性能好,能減少葉輪級(jí)數(shù)與換熱器數(shù)量,對(duì)減小系統(tǒng)尺寸有重要意義,因此氦氙混合物適合作為空間核反應(yīng)堆的循環(huán)工質(zhì)[2]。

氦氙布雷頓循環(huán)由于其在空間堆的應(yīng)用前景較廣而引起了廣泛關(guān)注。從20世紀(jì)70年代開始,國(guó)外研究者就進(jìn)行了相關(guān)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)工作。小功率空間氦氙布雷頓循環(huán)項(xiàng)目主要包括美國(guó)BRU計(jì)劃[3]、BIPS計(jì)劃[4]、NASA的JIMO計(jì)劃[5]等,輸出功率都是千瓦級(jí),發(fā)電效率接近30%。而較為成熟的大功率空間反應(yīng)堆方案包括2009年俄羅斯提出的兆瓦級(jí)核動(dòng)力飛船項(xiàng)目[6]和美國(guó)2003年開展的“普羅米修斯”計(jì)劃[7],堆芯都采用了氣冷堆,而能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)為氦氙閉式布雷頓循環(huán),冷卻回路采用鈉鉀合金作為冷卻劑,輸出功率分別為1 MW和 200 kW。在試驗(yàn)研究方面,美國(guó)開展了10 kW布雷頓渦輪機(jī)旋轉(zhuǎn)單元的研究,并建立了2 kW的微型布雷頓渦輪機(jī)旋轉(zhuǎn)單元樣機(jī),進(jìn)行了布雷頓循環(huán)系統(tǒng)可行性和性能方面的驗(yàn)證。第一套閉式布雷頓循環(huán)(CBC)空間功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng) BRU于1968—1976年在里維斯研究中心研制成功,包括相應(yīng)回?zé)崞骱蜔峤粨Q器單元,證實(shí)了閉式布雷頓循環(huán)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換功率在25%以上[8]。表1總結(jié)了國(guó)外典型空間堆布雷頓循環(huán)系統(tǒng)參數(shù)。

國(guó)內(nèi)外圍繞空間堆氦氙布雷頓循環(huán),主要的研究方向包括氦氙混合工質(zhì)的物性及流動(dòng)傳熱特性、透平與壓縮機(jī)以及換熱器設(shè)計(jì)、循環(huán)的參數(shù)分析和優(yōu)化、循環(huán)的動(dòng)態(tài)特性和控制策略等方面。調(diào)研發(fā)現(xiàn),目前對(duì)于空間堆氦氙布雷頓循環(huán)研究進(jìn)展總結(jié)較少,因此,本文對(duì)空間堆氦氙布雷頓循環(huán)重點(diǎn)研究方向的相關(guān)進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 氦氙布雷頓循環(huán)工質(zhì)特性研究

考慮到氦氙混合工質(zhì)的特殊性,氦氙布雷頓循環(huán)研究需要深入結(jié)合工質(zhì)特性。氦氙混合比例和狀態(tài)將對(duì)工質(zhì)物性產(chǎn)生影響,主要包括密度、動(dòng)力黏度、定壓比熱容以及導(dǎo)熱系數(shù)等,進(jìn)而影響氦氙工質(zhì)的流動(dòng)換熱特性和氣動(dòng)特性,最終影響循環(huán)效率。表2給出了氦、氙及氦氙混合物物性參數(shù)表?？梢钥闯?氦氣的定壓比熱容和熱導(dǎo)率都遠(yuǎn)大于其他氣體工質(zhì);純氙氣的分子量很大,但是定壓比熱容和熱導(dǎo)率較小,這使其容易壓縮,但其換熱性能相較其他工質(zhì)較差;特定比例的氦氙混合物成為綜合性能較好的合理選擇。

1.1 氦氙混合工質(zhì)物性

不同氦氙混合比例將對(duì)工質(zhì)物性產(chǎn)生較大影響,其比例改變會(huì)導(dǎo)致混合物摩爾質(zhì)量變化。相關(guān)研究給出了在特定溫度和壓力下的氦氙混合氣體物性隨摩爾質(zhì)量即混合比例的變化規(guī)律。Tournier等[13]通過總結(jié)相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果,采用對(duì)應(yīng)態(tài)原理擬合得到了用于計(jì)算兩種惰性氣體混合工質(zhì)熱物性的半經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式,該公式可在壓力范圍0.1～20 MPa、溫度范圍300～1 400 K時(shí)進(jìn)行較高精度預(yù)測(cè)。因此得到了廣泛應(yīng)用,后續(xù)研究者開發(fā)的物性計(jì)算程序均是在該半經(jīng)驗(yàn)公式基礎(chǔ)上進(jìn)行的。楊謝等[14]探究了摩爾質(zhì)量、壓力和溫度等參數(shù)變化對(duì)氦氙混合物的熱物性影響規(guī)律,結(jié)果表明隨著混合物摩爾質(zhì)量增加,定壓比熱容與比熱比緩慢增大,動(dòng)力黏度呈先增大后平緩下降的趨勢(shì),導(dǎo)熱系數(shù)則單調(diào)下降,普朗特?cái)?shù)先減小后增大;混合氣體動(dòng)力黏度、導(dǎo)熱系數(shù)、普朗特?cái)?shù)都不隨壓力發(fā)生明顯變化;溫度升高會(huì)使氦氙混合物導(dǎo)熱系數(shù)及動(dòng)力黏度增大,但普朗特?cái)?shù)變化很小。

Xu等[15]提出并建立了基于維里(Virial)系數(shù)的氦氙熱物性模型,并與理想氣體模型進(jìn)行比較,闡明氙氣體的添加使得氦氙混合工質(zhì)呈現(xiàn)明顯的非理想氣體特性;在不同溫度和壓力條件下,比較了兩種模型間氦氙混合工質(zhì)的物性參數(shù)與主要循環(huán)參數(shù)的偏差,建立了3.0 MW鋰?yán)淇於押るh(huán)熱力學(xué)模型,并分析了非理想氣體特性對(duì)循環(huán)效率的影響規(guī)律。結(jié)果表明,在摩爾質(zhì)量大于40 g/mol,或者在較低的溫度(<500 K)或較高的壓力(>3.0 MPa)下,氦氙混合工質(zhì)物性參數(shù)與理想氣體特性有明顯的偏差。而在不同壓比下,非理想氣體模型系統(tǒng)效率比理想氣體模型系統(tǒng)效率約低1.5%,表明非理想氣體模型使系統(tǒng)的模擬精度提高了約4.91%。

1.2 氦氙混合工質(zhì)流動(dòng)及換熱特性

現(xiàn)有關(guān)于氦氙混合氣體流動(dòng)特性的研究中,主要關(guān)注雷諾數(shù)、壓降和摩擦阻力系數(shù)間的變化規(guī)律。研究氦氙混合氣體的換熱性能時(shí),主要關(guān)注對(duì)流換熱系數(shù)的變化,該系數(shù)由氣體的雷諾數(shù)和普朗特?cái)?shù)共同決定。El-Genk等[16]指出,He和較重的惰性氣體,如Kr和Xe,組成二元混合物時(shí),當(dāng)混合摩爾質(zhì)量分別小于22 g/mol和40 g/mol時(shí),它們的換熱系數(shù)均略高于純氦氣,同時(shí)還顯著降低了葉輪機(jī)械的尺寸。Taylor等[17]通過總結(jié)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),給出了計(jì)算氦氙混合物對(duì)流換熱努塞爾數(shù)的半經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式,該公式適用于低普朗特?cái)?shù)條件。楊謝等[14]利用該經(jīng)驗(yàn)公式探究了He-Xe混合工質(zhì)熱物性變化對(duì)換熱性能的影響,發(fā)現(xiàn)對(duì)流換熱系數(shù)最大值對(duì)應(yīng)的氦氙混合工質(zhì)摩爾質(zhì)量約為15 g/mol,并且證實(shí)在該比例下?lián)Q熱能力比純氦氣好。Leontiev等[18]針對(duì)普朗特?cái)?shù)較低的氦氙混合物,研究了氣體雷諾數(shù)和馬赫數(shù)對(duì)流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)的積分和局部特性的影響。

Szalmás等[19]基于動(dòng)力學(xué)理論,計(jì)算了He-Xe和He-Ar在圓管中的壓力驅(qū)動(dòng)流,并給出了整個(gè)系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)的流量、壓力和摩爾分?jǐn)?shù)的計(jì)算結(jié)果,以及壓力和摩爾分?jǐn)?shù)沿通道的代表性分布。李楊柳等[20]等開發(fā)了計(jì)算反應(yīng)堆內(nèi)單個(gè)通道采用He-Xe混合工質(zhì)冷卻的分析程序,建立了包含環(huán)形流道模型和圓管流道模型的反應(yīng)堆單通道模型,將計(jì)算結(jié)果與Fluent計(jì)算結(jié)果以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比,驗(yàn)證了模型程序的準(zhǔn)確性。余霖[21]采用STAR-CCM+軟件,對(duì)普羅米修斯計(jì)劃的氣冷堆環(huán)形冷卻劑通道進(jìn)行數(shù)值建模,研究了單冷卻劑通道和1/6堆芯冷卻劑通道內(nèi)不同比例的氦氙混合氣體的流動(dòng)換熱特性,明確了環(huán)形、圓形、棒束等不同堆內(nèi)通道結(jié)構(gòu)條件下,氦氙混合氣體的最佳摩爾質(zhì)量均在15 g/mol附近。

黃笛等[22]通過數(shù)值模擬研究氦氙混合比例對(duì)堆內(nèi)通道流動(dòng)換熱特性影響,分析了He-Xe混合工質(zhì)的混合比例變化對(duì)燃料棒間流動(dòng)的換熱性能影響規(guī)律,發(fā)現(xiàn)當(dāng)混合工質(zhì)的摩爾質(zhì)量在15～20 g/mol范圍時(shí),燃料棒間流動(dòng)的換熱效果最好,而當(dāng)流通面積一定時(shí),通過減小冷卻劑流道的直徑能提高換熱性能。周彪等[23]開發(fā)了適用于氦氙氣冷空間堆的熱工系統(tǒng)分析程序用于計(jì)算混合物的熱物性及換熱性能,并通過與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比,證明了該程序模擬的準(zhǔn)確度較高。此外,一些研究關(guān)注于不同結(jié)構(gòu)流動(dòng)通道對(duì)氦氙換熱的影響。Huang等[24]的研究結(jié)果表明,窄矩形通道的傳熱性能與圓形通道相差不大,而圓形通道傳熱性能小于環(huán)形通道,并且通道類型的等效直徑越小,通道內(nèi)氦氙混合氣體的對(duì)流換熱系數(shù)越大。

通過調(diào)研總結(jié)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)氦氙混合工質(zhì)流動(dòng)及換熱特性研究,得到如表3所示的氦氙混合工質(zhì)流動(dòng)換熱關(guān)聯(lián)式,并給出了經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式的適用范圍。

表3 氦氙混合工質(zhì)流動(dòng)換熱關(guān)聯(lián)式

2 氦氙布雷頓循環(huán)關(guān)鍵部件研究

相比于陸基能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng),空間能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)不僅需要考慮轉(zhuǎn)換效率,而且需要考慮系統(tǒng)質(zhì)量及尺寸等影響設(shè)計(jì)方案可行性和發(fā)射運(yùn)載成本的重要因素。因此,高效緊湊的葉輪機(jī)械以及換熱設(shè)備是空間堆氦氙布雷頓循環(huán)需要關(guān)注的重點(diǎn)。

2.1 氦氙葉輪部件研究

氦氣的定壓比熱容和熱導(dǎo)率都遠(yuǎn)大于其他氙氣、空氣等氣體工質(zhì),因此在氦氣循環(huán)中換熱器的體積較小。但由于其大比熱故難以壓縮,需要更大尺寸及更多級(jí)數(shù)的壓氣機(jī)才能達(dá)到與空氣相同的壓比。氙氣的分子量很大,但其定壓比熱容和熱導(dǎo)率較小,這使其容易壓縮,換熱性能較差且定壓比熱容較小,因此其所需換熱器體積較大。研究表明,特定混合比例的氦氙混合物能較好地兼顧換熱性能和可壓縮性,從而使壓縮機(jī)和換熱器的尺寸都較小,其中40 g/mol的氦氙混合物研究較多,其對(duì)流換熱系數(shù)與氦氣相當(dāng),還能夠?qū)⑷~片的氣動(dòng)負(fù)荷降低到純氦氣的10%左右,還可以使葉輪機(jī)械級(jí)數(shù)降低從而使動(dòng)力系統(tǒng)的尺寸、質(zhì)量相對(duì)減小[31];對(duì)于空間堆小功率的閉式布雷頓循環(huán)系統(tǒng)來說,徑流式壓氣機(jī)以及渦輪無疑更具有尺寸和質(zhì)量?jī)?yōu)勢(shì),而小功率徑流式葉輪則需要高轉(zhuǎn)速。

2008年,Gallo等[32]針對(duì)空間堆閉式氦氙布雷頓循環(huán)系統(tǒng),對(duì)BRU項(xiàng)目中的渦輪與壓縮機(jī)進(jìn)行縮放,設(shè)計(jì)并研究了用于40 g/mol氦氙混合工質(zhì)的38 kW渦輪機(jī)組單元。研究考慮了葉輪機(jī)械的各種能量損失和氦氙工質(zhì)物性變化,發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)壓比和多變效率分別為1.6和83.1%,透平壓比和多變效率分別為1.51和88.3%。之后,Gallo等[3]又用同樣方法對(duì)15 g/mol氦氙混合工質(zhì)的渦輪機(jī)組單元進(jìn)行研究,結(jié)果表明在相同發(fā)電功率下,采用15 g/mol混合工質(zhì)可獲得較40 g/mol氦氙混合工質(zhì)更低的流量和更高的循環(huán)壓力。2009年,El-Genk等[33]針對(duì)間接閉式布雷頓循環(huán)高溫堆,研究了以氦氣、氦氙混合氣體和氦氮混合氣體為工質(zhì)時(shí),透平入口溫度、轉(zhuǎn)速對(duì)葉輪設(shè)備尺寸、級(jí)數(shù)的影響規(guī)律。結(jié)果表明,兩種混合物的壓縮機(jī)和葉輪尺寸明顯低于純氦工質(zhì);當(dāng)轉(zhuǎn)速?gòu)? 000 r/min提高至5 400 r/min時(shí),3種工質(zhì)的壓縮機(jī)級(jí)數(shù)減少了40%以上;15 g/mol摩爾質(zhì)量的氦氮混合工質(zhì)的葉輪級(jí)數(shù)高于氦氙混合工質(zhì)。

國(guó)內(nèi),劉學(xué)崢[34]設(shè)計(jì)了一種可用于氦氙混合工質(zhì)的離心式壓縮機(jī),并獲得了氦氙離心式壓氣機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)選取規(guī)律。田志濤等[35]采用一維方法設(shè)計(jì)了一種適用于摩爾質(zhì)量為40 g/mol混合氦氙工質(zhì)的離心式壓氣機(jī),如圖1所示,該壓氣機(jī)單級(jí)總壓比為2.3,等熵效率為88.7%,流量為1.6 kg/s,喘振裕度為20.4%,并通過數(shù)值模擬對(duì)壓氣機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行分析,得到氦氙離心式壓縮機(jī)的特性曲線。

圖1 He-Xe離心式壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖[35]Fig.1 Schematic diagram of He-Xe centrifugal compressor[35]

徐森锫等[36]針對(duì)空間核電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)了可用于He-Xe混合物的徑流式向心透平,并采用數(shù)值模擬研究了透平內(nèi)部情況。結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)的向心透平效率為84.4%,功率為618.3 kW,具有較好的氣動(dòng)性能,并給出了葉頂間隙損失、二次流損失和內(nèi)部端壁損失的分布結(jié)果。后續(xù)研究表明,增大出口背壓、增大葉頂間隙以及減少葉片數(shù)目均會(huì)造成透平效率下降[37]。Yuan等[38]采用Chapman-Ebskog動(dòng)力學(xué)理論和相應(yīng)態(tài)理論方法,計(jì)算了15.9 g/mol和40 g/mol的氦氙混合工質(zhì)的輸運(yùn)特性;根據(jù)流動(dòng)相似條件開發(fā)了計(jì)算相似渦輪邊界的程序,使得徑向渦輪通道內(nèi)的流動(dòng)相似;分析了氦氙混合氣體、氬氣和空氣作為工質(zhì)的徑向渦輪,發(fā)現(xiàn)其效率特性曲線相似度較高,而在偏離設(shè)計(jì)工況點(diǎn)后,氦氣和其他流體之間的效率誤差則會(huì)增加。

Malik等[39-42]以15 g/mol氦氙混合氣體作為工質(zhì),為300 MW高溫氣冷堆電站設(shè)計(jì)了一種兩級(jí)高負(fù)荷軸流式壓縮機(jī),壓縮機(jī)級(jí)數(shù)僅為純氦氣壓縮機(jī)的20%,大大縮小了設(shè)備尺寸。在后續(xù)研究中,利用相似原理對(duì)不同分子量的氦氙混合氣體的離心式壓縮機(jī)進(jìn)行性能分析,結(jié)果認(rèn)為使用40 g/mol的氦氙混合工質(zhì)是空間堆循環(huán)的最佳選擇,而15 g/mol的氦氙混合工質(zhì)更適用于陸地閉式布雷頓循環(huán)電廠。

2.2 氦氙換熱設(shè)備研究

由于太空環(huán)境的特殊性,循環(huán)廢熱只能以輻射散熱的方式向外排放。因此,冷卻器、冷卻介質(zhì)回路和輻射散熱器設(shè)計(jì)也成為了氦氙布雷頓循環(huán)的重要研究方向之一。El-Genk等[43]針對(duì)高溫氣冷堆耦合3個(gè)氦氙布雷頓循環(huán)空間動(dòng)力系統(tǒng)提出了一種高溫水熱管輻射散熱器設(shè)計(jì)方案,該設(shè)計(jì)可以防止冷卻系統(tǒng)單點(diǎn)失效。氣體冷卻器采用NaK-78作為冷卻回路介質(zhì),另一端連接兩個(gè)水熱管散熱器面板。設(shè)計(jì)的水熱管輻射式散熱器總散熱量為324 kW,總質(zhì)量約994 kg。Qin等[44]對(duì)空間氣冷堆氦氙布雷頓循環(huán)分別耦合熱管散熱器和液滴散熱器(圖2)的循環(huán)性能進(jìn)行對(duì)比研究,發(fā)現(xiàn)在相同輸出功率和進(jìn)口溫度下,液滴輻射散熱器的質(zhì)量?jī)H為熱管換熱器質(zhì)量的10%左右,在空間堆動(dòng)力系統(tǒng)質(zhì)量方面更具優(yōu)勢(shì)。采用液滴輻射散熱器,當(dāng)氦氙循環(huán)壓縮機(jī)壓比為2.17時(shí),循環(huán)效率可達(dá)到36%。

(a)熱管散熱器

針對(duì)高溫氦氙回?zé)崞鞯难芯恐?De Araújo等[45]對(duì)小型堆閉式氦氙布雷頓循環(huán)的叉流管殼式回?zé)崞鬟M(jìn)行了優(yōu)化,研究采用CFD方法模擬回?zé)崞鲀?nèi)部流場(chǎng),以最小熵產(chǎn)和回?zé)岫戎g的比值作為性能評(píng)價(jià)指標(biāo),評(píng)估了該參數(shù)與回?zé)崞髻|(zhì)量之間的相關(guān)性,以確定最優(yōu)結(jié)構(gòu)。楊夷等[46]研究了溫度、回?zé)岫纫约爸圃旃に嚨纫蛩貙?duì)He-Xe換熱器的性能影響規(guī)律,發(fā)現(xiàn)采用精雕工藝能有效減少換熱器質(zhì)量約17%,并可降低通道壓降約30%,且回?zé)崞鲹Q熱性能不會(huì)出現(xiàn)明顯下降,并提出采用面積比功率因子作為回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)及性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)。馬文魁等[47]搭建了空間He-Xe布雷頓循環(huán)熱力學(xué)模型,考慮了回?zé)崞鲹Q熱系數(shù)和壓力損失的耦合,并研究了循環(huán)壓比、He-Xe工質(zhì)混合比例以及溫比等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能及回?zé)岫茸罴阎档挠绊懸?guī)律。結(jié)果表明,隨著循環(huán)壓比增加,回?zé)岫鹊淖罴阎党尸F(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì);當(dāng)He-Xe工質(zhì)中Xe比例增加時(shí),混合工質(zhì)的壓力損失會(huì)快速增大,從而使得回?zé)岫茸罴阎得黠@減小;而當(dāng)系統(tǒng)溫比增加時(shí),通過減小回?zé)崞鲏毫p失會(huì)使得回?zé)岫茸罴阎翟龃蟆?/p>

3 氦氙布雷頓循環(huán)性能優(yōu)化研究

目前,大多數(shù)氦氙布雷頓循環(huán)都是基于空間堆動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)用而開發(fā)的,陸基布雷頓循環(huán)系統(tǒng)為提高循環(huán)效率而采用的增加換熱面積,以及采用更復(fù)雜的循環(huán)構(gòu)型、耦合底循環(huán)系統(tǒng)等方法,在空間氦氙循環(huán)中并不適用?，F(xiàn)有的氦氙布雷頓循環(huán)大多采用簡(jiǎn)單回?zé)嵫h(huán)構(gòu)型,追求更加高效緊湊的設(shè)備和整體布置,其系統(tǒng)示意圖如圖3所示。

圖3 空間堆氦氙簡(jiǎn)單回?zé)嵫h(huán)系統(tǒng)示意圖 Fig.3 Schematic diagram of a space reactor He-Xe simple regenerative cycle system

El-Genk等[48]研究發(fā)現(xiàn),摩爾質(zhì)量為15 g/mol的氦氙混合氣體的傳熱系數(shù)比純氦氣高7%,且葉輪設(shè)備級(jí)數(shù)僅為純氦氣的24%～30%,然而對(duì)于相同的管道和換熱器設(shè)計(jì),氦氙混合工質(zhì)的壓力損失是純氦氣的3倍。因此在較高的循環(huán)壓比下,采用氦氙混合工質(zhì)的電站峰值效率相比純氦降低了2%左右。在其后續(xù)研究中,針對(duì)純氦氣、15 g/mol的氦氙和氦氮混合氣體,在反應(yīng)堆出口溫度973～1 223 K條件下進(jìn)行循環(huán)性能分析。結(jié)果表明,3種工質(zhì)最大循環(huán)效率對(duì)應(yīng)的最佳壓比均較低(純氦氣、氦氙為2.6,氦氮為3.2)。在透平進(jìn)口溫度為1 123 K條件下,氦氙、氦氮布雷頓循環(huán)效率分別為45.9%和45.8%[49]。

李智等[50]分析了不同成分氦氙混合工質(zhì)對(duì)葉輪機(jī)械以及循環(huán)整體熱力學(xué)性能的影響,發(fā)現(xiàn)加入氙氣降低了循環(huán)熱力性能、循環(huán)效率和比功,當(dāng)氦氣摩爾分?jǐn)?shù)由100%降至64.8%時(shí),循環(huán)的最大效率由36.5%下降至19.3%,但氙氣的加入能有效降低壓氣機(jī)膨脹功,改善循環(huán)氣動(dòng)性能,減少壓氣機(jī)、換熱器數(shù)量。Liu等[51]采用非支配排序遺傳算法(NSGA-Ⅱ)通過優(yōu)化系統(tǒng)部件的關(guān)鍵參數(shù)來最小化系統(tǒng)總質(zhì)量,并對(duì)氦氙布雷頓循環(huán)及各個(gè)部件設(shè)計(jì)模塊性能進(jìn)行計(jì)算,給出了特定透平進(jìn)口溫度下系統(tǒng)最小質(zhì)量對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵參數(shù)最優(yōu)值,并利用Garson算法對(duì)參數(shù)進(jìn)行了敏感性分析。結(jié)果表明在1 400 K透平進(jìn)口溫度下,最佳循環(huán)效率為16%～28%,最佳壓比為1.9～3.0。Romano等[52-53]優(yōu)化了用于空間堆氦氙布雷頓循環(huán)的熱管散熱器,將冷側(cè)熱力模型與布雷頓循環(huán)模型耦合可以得到不同循環(huán)參數(shù)下散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,同時(shí)采用最小比質(zhì)量(散熱器質(zhì)量和循環(huán)功率之比)作為優(yōu)化目標(biāo),最終優(yōu)化后的氣體冷卻器的進(jìn)口溫度為513.2 K,確保了動(dòng)力系統(tǒng)的高效性和緊湊性。

郭凱倫等[54]比較了He、Xe、N2和CO2工質(zhì)以及這4種工質(zhì)采用不同混合比例時(shí)的物性,并且分析了兆瓦級(jí)布雷頓循環(huán)核電推進(jìn)系統(tǒng)(圖4所示)采用不同工質(zhì)時(shí)的系統(tǒng)性能,結(jié)果表明He-Xe混合工質(zhì)的換熱系數(shù)較高,且透平和壓縮機(jī)的級(jí)數(shù)較少,比較適合作為空間核動(dòng)力系統(tǒng)的循環(huán)工質(zhì)。此外,探究了氦氙作為工質(zhì)時(shí),葉輪效率、壓比、進(jìn)口溫度、壓損系數(shù)等參數(shù)對(duì)循環(huán)效率的影響,結(jié)果表明提高葉輪效率、透平進(jìn)口溫度、減小壓損有利于效率的提升,存在最佳壓比使效率最高。

圖4 兆瓦級(jí)核電推進(jìn)系統(tǒng)示意圖[54]Fig.4 Schematic diagram of megawatt nuclear power propulsion system[54]

張文文等[55]提出了一種兆瓦級(jí)氦氙冷卻熱管空間堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,如圖5所示,所設(shè)計(jì)反應(yīng)堆功率為3.2 MW,轉(zhuǎn)換效率為31.8%。熱管的堆芯熱量通過金屬鋰熱管導(dǎo)出至氦氙混合工質(zhì),系統(tǒng)冷端冷卻器中熱量通過冷卻回路進(jìn)行冷卻,冷卻回路采用鈉鉀合金作為工質(zhì),將熱量傳遞到鉀熱管輻射器,并通過輻射方式將熱量傳遞到太空。

圖5 熱管反應(yīng)堆核動(dòng)力系統(tǒng)示意圖[55]Fig.5 Schematic diagram of the nuclear power system of a heat pipe reactor [55]

薛冰[8]參考美國(guó)淹沒次臨界反應(yīng)堆S4設(shè)計(jì)參數(shù),建立了小型氦氙冷卻反應(yīng)堆系統(tǒng)熱力性能分析模型,進(jìn)行了參數(shù)敏感性分析,并以系統(tǒng)效率和質(zhì)量為目標(biāo)進(jìn)行雙目標(biāo)優(yōu)化計(jì)算,得到的優(yōu)化方案提高了堆芯入口溫度和透平內(nèi)效率,降低了反應(yīng)堆流量、循環(huán)壓氣機(jī)壓比和回?zé)岫?使得系統(tǒng)熱效率提高5.0%,系統(tǒng)質(zhì)量減少2.5%。胡文楨等[56]通過Fortran語言編寫了部件及系統(tǒng)熱力模型,研究了小型氦氙冷卻反應(yīng)堆關(guān)鍵參數(shù),發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)效率和系統(tǒng)質(zhì)量受回?zé)崞骰責(zé)岫鹊挠绊憣?duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生較大影響,回?zé)岫仍酱?系統(tǒng)效率越高,但系統(tǒng)總體積也越大,而壓縮機(jī)壓比較小時(shí)會(huì)對(duì)系統(tǒng)質(zhì)量影響較大,當(dāng)壓比大于1.52時(shí)影響較小。

王佳賓等[57]對(duì)一種采用金屬燃料的氦氙布雷頓循環(huán)耦合固體氧化物燃料電池的聯(lián)合動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化研究,利用氦氙布雷頓循環(huán)吸收鋁水反應(yīng)釋放的大量熱量,系統(tǒng)輸出功率設(shè)計(jì)為100 kW。通過參數(shù)分析及遺傳算法優(yōu)化,系統(tǒng)總效率可達(dá)到42.55%,效率達(dá)到49.04%。劉維新等[58]建立了空間堆氦氙布雷頓循環(huán)系統(tǒng)的各部件模型及系統(tǒng)整體分析模型,采用質(zhì)量比功率作為系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)指標(biāo),并研究了壓比、循環(huán)最低溫度和循環(huán)最高溫度等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響規(guī)律,結(jié)果表明,當(dāng)壓縮機(jī)壓比和循環(huán)最低溫度變化時(shí),存在一個(gè)最佳值使得系統(tǒng)質(zhì)量比功率指標(biāo)最小,壓氣機(jī)進(jìn)口溫度最優(yōu)值為416～508 K,壓比最優(yōu)值為2.4～3.1,而提高循環(huán)最高溫度能使得發(fā)電效率增加,并使系統(tǒng)質(zhì)量減小。Ma等[59]針對(duì)空間氦氙布雷頓循環(huán)研究了4種不同的軸承和發(fā)電機(jī)支路引流冷卻方案,分析了循環(huán)引氣對(duì)關(guān)鍵部件和循環(huán)性能的影響,并在回?zé)崞鳒囟葕A點(diǎn)限制下對(duì)4種冷卻方案進(jìn)行了優(yōu)化對(duì)比,結(jié)果表明,冷卻氣體回收軸承和發(fā)電機(jī)熱損失后匯入透平進(jìn)口的冷卻方案效率最高。

4 氦氙布雷頓循環(huán)動(dòng)態(tài)特性與控制策略研究

El-Genk等[60]建立了用于能量轉(zhuǎn)換的多布雷頓循環(huán)回路的S4空間堆動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真模型,并對(duì)瞬態(tài)啟動(dòng)過程進(jìn)行演示。當(dāng)采用40 g/mol的氦氙混合氣體為工質(zhì),在功率為471 kW、轉(zhuǎn)速為45 000 r/min和循環(huán)溫度為1 149 K/400 K條件下,全功率運(yùn)行的瞬態(tài)啟動(dòng)的最終系統(tǒng)輸出功率為130.8 kW,循環(huán)效率為27.8%。在其后續(xù)研究中,在反應(yīng)堆系統(tǒng)瞬態(tài)運(yùn)行和啟動(dòng)工況的程序基礎(chǔ)上添加了布雷頓循環(huán)系統(tǒng)模塊與PID控制器,建立了一個(gè)由氣冷堆和3個(gè)獨(dú)立的閉式布雷頓循環(huán)組成的電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真模型,并用該程序?qū)ρ蜎]次臨界反應(yīng)堆S4進(jìn)行模擬,得到了反應(yīng)堆穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的反應(yīng)堆啟動(dòng)時(shí)間、循環(huán)效率、輸出功率、壓縮機(jī)和透平的熱力參數(shù)等[61]。

國(guó)內(nèi),李智[62]進(jìn)行了空間堆He-Xe布雷頓循環(huán)系統(tǒng)在變負(fù)荷條件下的動(dòng)態(tài)特性及調(diào)控策略研究,其采用了3種調(diào)控策略:系統(tǒng)填充量控制、旁通調(diào)節(jié)及變轉(zhuǎn)速控制。結(jié)果表明,變負(fù)荷條件下,充裝量調(diào)節(jié)和分流率調(diào)節(jié)可維持系統(tǒng)轉(zhuǎn)速不變;填充量控制能使循環(huán)效率維持較高,而旁通調(diào)節(jié)雖然可以實(shí)現(xiàn)快速變負(fù)荷,但其變負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍較窄;變轉(zhuǎn)速控制原理是通過改變壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的使系統(tǒng)偏離設(shè)計(jì)點(diǎn),從而降低系統(tǒng)輸出功率。在事故工況下,由于系統(tǒng)甩負(fù)荷轉(zhuǎn)速會(huì)快速增加,可采用旁通調(diào)節(jié)快速降低輸出功率,以達(dá)到應(yīng)急處理,從而使系統(tǒng)轉(zhuǎn)速快速下降至安全范圍。Ma等[63]建立了空間核動(dòng)力系統(tǒng)多布雷頓循環(huán)的熱工水力模型,針對(duì)具有雙布雷頓循環(huán)回路系統(tǒng),提出了同時(shí)啟動(dòng)和順序啟動(dòng)兩種方案,并對(duì)它們的性能進(jìn)行比較。結(jié)果表明,在初始啟動(dòng)階段,需要外部動(dòng)力源提供動(dòng)力來驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng);采用同時(shí)啟動(dòng)方案系統(tǒng)穩(wěn)定且耗時(shí)少,但所需外部驅(qū)動(dòng)功率大;采用順序啟動(dòng)方案所需驅(qū)動(dòng)功率小,但布雷頓循環(huán)之間的耦合效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致氣體流量和功率的波動(dòng),系統(tǒng)穩(wěn)定性變差。

侯捷名[2]使用RELAP5程序建立了100 kW空間鋰?yán)淇於押る祭最D循環(huán)控制系統(tǒng)和保護(hù)系統(tǒng),并對(duì)整個(gè)系統(tǒng)變工況運(yùn)行、空間堆臨界安全以及事故工況瞬態(tài)過程進(jìn)行了模擬,重點(diǎn)研究了系統(tǒng)失流事故、反應(yīng)性引入、熱阱喪失等事故工況下系統(tǒng)的安全性能。Zhang等[64]針對(duì)兆瓦級(jí)空間熱管堆氦氙布雷頓循環(huán),建立了包括反應(yīng)堆、葉輪機(jī)械、換熱設(shè)備、管道等在內(nèi)的所有部件的動(dòng)態(tài)模型,開發(fā)了系統(tǒng)瞬態(tài)分析程序,對(duì)該系統(tǒng)的安全特性進(jìn)行了分析。此外,也對(duì)單回路布雷頓循環(huán)機(jī)械故障和反應(yīng)性插入事故下系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了研究。Wang等[65]在該系統(tǒng)瞬態(tài)分析程序基礎(chǔ)上,研究了氣冷堆耦合布雷頓循環(huán)系統(tǒng)在不同運(yùn)行條件下的安全特性,結(jié)果表明高溫氣冷堆啟動(dòng)過程需4 h,在全功率運(yùn)行下燃料最高溫度低于熔點(diǎn)溫度且有足夠的安全裕度;當(dāng)緊急情況下關(guān)閉高溫氣冷堆時(shí),可以通過堆芯的熱傳導(dǎo)和輻射傳熱來去除反應(yīng)堆的余熱,表明所設(shè)計(jì)的高溫氣冷堆由于其負(fù)反應(yīng)特性和被動(dòng)安全特性而具有較好的固有安全性。

辛杰等[66]基于Simulink平臺(tái)開展400 kW級(jí)空間核堆氦氙布雷頓循環(huán)系統(tǒng)一維分析,研究了系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行、反應(yīng)堆功率快速增加、階躍及持續(xù)引入反應(yīng)性等不同動(dòng)態(tài)熱力過程下的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性。薛翔等[67]參考JIMO 100 kW動(dòng)力系統(tǒng)搭建了閉式He-Xe循環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)計(jì)算模型,研究了不同系統(tǒng)初始?jí)毫r(shí),核心機(jī)轉(zhuǎn)速快速增加對(duì)系統(tǒng)參數(shù)及性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明,在調(diào)節(jié)核心機(jī)的轉(zhuǎn)速并改變反應(yīng)堆加熱功率的控制方式下,該動(dòng)態(tài)過程中系統(tǒng)參數(shù)能一直保持在穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)間,這表明采用準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)速控制是核心機(jī)的主要控制策略。王浩明等[68]參考普羅米修斯計(jì)劃中的系統(tǒng)參數(shù),獲得了包括組件特性、管道布局的氦氙布雷頓循環(huán)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真模型,探究了系統(tǒng)采用旁通閥控制時(shí)閥門的開度及響應(yīng)時(shí)間對(duì)系統(tǒng)主要熱力參數(shù)及性能的影響規(guī)律。研究表明,采用旁通閥控制時(shí),閥門開啟會(huì)使得透平轉(zhuǎn)速快速下降,進(jìn)而使系統(tǒng)輸出功率快速降低,其中功率出現(xiàn)了超調(diào)現(xiàn)象,而通過增加系統(tǒng)的容積能夠降低采用旁通閥調(diào)節(jié)的敏感度。

總結(jié)現(xiàn)有氦氙布雷頓循環(huán)動(dòng)態(tài)特性與控制策略研究可以發(fā)現(xiàn),目前主要通過建立特定系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真模型或程序開展針對(duì)動(dòng)態(tài)特性的研究,包括反應(yīng)堆及各部件動(dòng)態(tài)模型,研究的典型動(dòng)態(tài)過程主要包括系統(tǒng)瞬態(tài)啟動(dòng)、變負(fù)荷工況以及事故工況等。針對(duì)氦氙布雷頓循環(huán)變工況控制策略研究中,主要的控制方式包括充裝量調(diào)節(jié)、旁通閥調(diào)節(jié)和變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)3種。充裝量調(diào)節(jié)通過外部?jī)?chǔ)罐改變循環(huán)工質(zhì)填充量以實(shí)現(xiàn)變工況,這種控制方式可以保持較高的循環(huán)效率,但變負(fù)荷速率較慢;旁通閥調(diào)節(jié)通過改變流經(jīng)透平的工質(zhì)流量來實(shí)現(xiàn)變負(fù)荷,變負(fù)荷速率快但調(diào)節(jié)范圍較窄,適合在事故工況下使用;變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)通過轉(zhuǎn)速的變化使系統(tǒng)偏離額定工作點(diǎn),降低循環(huán)輸出功,從而實(shí)現(xiàn)精確調(diào)節(jié),但其適用于透平和壓縮機(jī)分軸布置的情形。后續(xù)研究有待開展耦合反應(yīng)堆和動(dòng)力系統(tǒng)的氦氙布雷頓循環(huán)全局動(dòng)態(tài)特性研究,包括啟停堆/機(jī)、變負(fù)荷運(yùn)行、反應(yīng)堆臨界安全、事故工況等動(dòng)態(tài)過程,并據(jù)此提出容量控制、旁路控制、轉(zhuǎn)速控制等多方式有機(jī)結(jié)合的動(dòng)態(tài)調(diào)控策略,建立靈活、可靠的控制系統(tǒng)與保護(hù)系統(tǒng),以達(dá)到安全、快速、靈活的調(diào)節(jié)目標(biāo),從而提升氦氙布雷頓循環(huán)的全工況適應(yīng)性和系統(tǒng)安全性。

5 結(jié)論與展望

隨著深空探索技術(shù)飛速發(fā)展,氦氙布雷頓循環(huán)的應(yīng)用場(chǎng)景不斷拓展,把握氦氙布雷頓循環(huán)的研究進(jìn)展及未來發(fā)展趨勢(shì),對(duì)推動(dòng)空間能量轉(zhuǎn)換技術(shù)的進(jìn)步具有重要意義。本文在深入調(diào)研空間堆氦氙布雷頓循環(huán)的發(fā)展歷史和國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上,對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)問題和重點(diǎn)研究方向的相關(guān)進(jìn)展進(jìn)行了綜述,所獲主要結(jié)論及未來展望如下。

(1)對(duì)于氦氙混合物工質(zhì)特性研究,目前重點(diǎn)關(guān)注40 g/mol和15 g/mol這兩個(gè)特定摩爾質(zhì)量濃度的混合工質(zhì),前者可以改善壓縮性能,減小壓縮機(jī)尺寸和級(jí)數(shù),降低系統(tǒng)總質(zhì)量,更適合作為空間布雷頓工質(zhì),后者能夠達(dá)到更大對(duì)流換熱系數(shù)。在后續(xù)研究中,建立適用于溫度、壓力和混合比例大范圍變化下氦氙混合氣體的高精度物性及流動(dòng)傳熱模型,確定適用于不同功率等級(jí)和工作場(chǎng)景的氦氙工質(zhì)最佳混合比例,是深入開展氦氙布雷頓循環(huán)研究的重要方向。

(2)對(duì)于氦氙布雷頓循環(huán)關(guān)鍵部件研究,目前葉輪部件主要針對(duì)特定應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行了相關(guān)研究設(shè)計(jì)工作,且大多數(shù)為小功率徑流式葉輪設(shè)計(jì),也有對(duì)冷卻器、回?zé)崞?、散熱器等換熱設(shè)備的研究設(shè)計(jì)。未來應(yīng)圍繞不同氦氙布雷頓循環(huán)功率、轉(zhuǎn)速和運(yùn)行條件,形成一系列成熟的高性能壓縮機(jī)和透平設(shè)計(jì)方案,并開展相應(yīng)試驗(yàn)研究,針對(duì)換熱設(shè)備開展高性能緊湊式換熱器研究。

(3)對(duì)于氦氙布雷頓循環(huán)性能提升,目前大多采用簡(jiǎn)單回?zé)嵫h(huán)構(gòu)型,追求更加高效、緊湊的設(shè)備和整體布置,研究溫度、壓比、回?zé)岫鹊葏?shù)對(duì)系統(tǒng)的影響,并采用效率、比功率等指標(biāo)來進(jìn)行評(píng)價(jià)。但綜合考慮冷源條件、循環(huán)壓力和功率等變化對(duì)循環(huán)性能和整體尺寸的影響目前較少,有待開展全功率等級(jí)、全工況的氦氙布雷頓循環(huán)多目標(biāo)、多參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)和評(píng)估工作。

(4)對(duì)于氦氙布雷頓循環(huán)動(dòng)態(tài)特性及控制策略研究,目前一些研究者針對(duì)特定系統(tǒng)建立了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真模型,并對(duì)系統(tǒng)瞬態(tài)啟動(dòng)、部分負(fù)荷工況以及事故工況等動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行了研究。后續(xù)研究有待開展耦合反應(yīng)堆和冷卻系統(tǒng)的氦氙布雷頓循環(huán)全局動(dòng)態(tài)特性研究,提出安全、靈活、高效的動(dòng)態(tài)調(diào)控策略,以提升氦氙布雷頓循環(huán)的全工況適應(yīng)性和系統(tǒng)安全性。