空間閉式布雷頓循環(huán)旁路調節(jié)特性分析

王浩明，薛 翔，張銀勇，林慶國

(1. 上?？臻g推進研究所，上海 201112；2.上?？臻g發(fā)動機工程技術研究中心，上海 201112)

0 引言

隨著空間任務對能源動力需求的不斷增長，常規(guī)化學能和太陽能由于已無法適應大范圍軌道轉移、空間拖船、深空探測等空間任務。核能以其長期、穩(wěn)定的能量供應和大功率輸出的特點，在可預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到900s的高比沖核熱推進，但是在實現(xiàn)7000s比沖以上的高效核電推進、星表能源站或者其他科學載荷時需要進一步將核的熱能轉化為電能。以核反應堆為熱源的空間大功率電源的研究從20世紀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發(fā)展。

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

國外對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)工作特性的仿真驗證等工作；試驗驗證方面，從早期的十千瓦級小功率核心機的系統(tǒng)試驗逐漸發(fā)展到多機組并聯(lián)閉式布雷頓循環(huán)研究、百千瓦級大功率核心機與電推進聯(lián)合演示驗證。國內(nèi)閉式布雷頓循環(huán)的研究主要集中在系統(tǒng)級的熱力學循環(huán)性能分析、基于重量尺寸和性能的多目標參數(shù)優(yōu)化等，缺乏對具有空間應用特點的閉式布雷頓循環(huán)動態(tài)工作特性和運行控制策略的研究。本文以美國普羅米修斯計劃的木星冰蓋衛(wèi)星軌道器Jupiter Icy Moon Obiter(JIMO)任務為研究對象，一方面在其總體循環(huán)參數(shù)的基礎上，對渦輪、壓氣機等關鍵組件進行設計，獲取組件特性；另一方面，根據(jù)其總裝結構，建立管路模型。最終，建立全系統(tǒng)動態(tài)仿真模型，對系統(tǒng)容積變化、旁通閥開關引起的系統(tǒng)狀態(tài)變化進行分析研究。

1 JIMO項目概述

本世紀初，NASA開始了普羅米修斯計劃和JIMO任務。根據(jù)之前的技術積累，研制初期即確定了閉式布雷頓循環(huán)作為熱電轉換系統(tǒng)。熱電轉換系統(tǒng)采用簡單回熱式布雷頓循環(huán)以提高轉換效率，系統(tǒng)輸出功率為200 kWe，采用兩個額定發(fā)電功率為100 kWe的閉式布雷頓循環(huán)發(fā)電模塊并聯(lián)實現(xiàn)?？紤]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 計算模型

2.1 循環(huán)工質選擇

閉式布雷頓循環(huán)的工質經(jīng)歷了空氣、氮氣、氦氣、超臨界二氧化碳、氦基混合氣的過程。雖然空氣或者氮氣方面已有豐富的葉輪機械設計經(jīng)驗，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)熱電轉換系統(tǒng)的應用。超臨界二氧化碳工質由于其密度高，便于葉輪機械的設計，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，對系統(tǒng)控制提出了更高的要求。同時，超臨界二氧化碳取得高轉換效率的前提是低溫端溫度接近30℃左右的臨界溫度，但是對于空間輻射散熱條件下，尤其是對于兆瓦及以上的大功率系統(tǒng)中，獲得30℃的循環(huán)低溫會大大增加輻射散熱系統(tǒng)的尺寸和重量。氦氣相比空氣和氮氣，優(yōu)點在于其高熱導率和低粘度，但是其缺點在于過低的摩爾質量導致了葉輪機械氣動載荷的提高，增加設計難度。氦基混合氣在氦氣中混合其他摩爾質量更高的氣體，一方面能夠減小葉輪機械的氣動載荷，另一方面會導致熱工性能的下降。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。其中，摩爾質量為40 g/mol的氦氙混合氣適合于100 kWe級的大功率場合，摩爾質量為83.8g/mol的氦氙混合氣適合于10 kWe級的小功率場合。

2.2 葉輪機械

根據(jù)系統(tǒng)循環(huán)流量和壓比，對閉式布雷頓循環(huán)中的渦輪和壓氣機進行氣動設計。設計采用單級向心渦輪，額定工況點溫度壓力分別為1 150 K和1.34 MPa，設計膨脹比1.9。設計采用單級離心壓氣機，轉速為45 000 rpm，壓比2.0，額定工況點溫度和壓力分別為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)得到渦輪和壓氣機折合轉速、折合流量下的性能曲線，以此得到不同工況下的渦輪、壓氣機壓比和效率。

(1)

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

2.3 換熱器

空間閉式布雷頓循環(huán)涉及換熱器包括回熱器與冷卻器。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

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

表1 JIMO換熱器設計參數(shù)

2.4 管道模型

JIMO項目布雷頓循環(huán)總裝結構如圖 3所示。與反應堆的對接接口，預估布雷頓循環(huán)主回路各管道長度如表2所示。

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

表2 主回路管道長度估算

2.5 系統(tǒng)模型

圖4為帶有旁通閥調節(jié)的閉式布雷頓循環(huán)動態(tài)仿真模型，其中各組件之間的連接管道按表 2參數(shù)設置，計算過程基于以下假設：①不考慮系統(tǒng)漏熱；②壓氣機入口溫度保持411 K不變；③反應堆通過簡化模型代替。

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

3 旁路調節(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與渦輪之間的旁通閥，壓氣機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(閥門響應時間為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，因此核心機輸出功率和轉速在開閥后快速降低，在短時間(～4 s)內(nèi)達到新的平衡。從功率和轉速變化曲線中可以看到，從閥門開始動作(0 s)至閥門完全打開(1 s)，功率和轉速均呈現(xiàn)下降趨勢；1 s以后轉速持續(xù)下降而功率呈現(xiàn)略有回升的趨勢。

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轉速突降，效率下降較快，同時在此過程中低壓側壓力開始升高。當閥門停止動作，低壓側升高的壓力導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。同時由于轉速下降，一方面使得壓氣機壓比下降，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系統(tǒng)狀態(tài)的影響。旁通流量越大，系統(tǒng)功率和轉速下降程度越大，當旁通流量達到主流的25%時，系統(tǒng)功率下降接近70%，轉速下降約20%。因此，在閉式布雷頓循環(huán)中如果采用旁通閥調節(jié)系統(tǒng)轉速和功率，需要控制旁通閥的開度，尤其是對于采用動壓箔片軸承的核心機以免開度過大引起轉速驟降，導致軸承承載力不足。

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

3.3 旁通閥響應時間的影響

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

P

與曲線中最小值

P

之差定義為超調量△

P

=

P

-

P

。從曲線數(shù)據(jù)可以看到，閥門響應時間越小，超調量越大，因此在旁通閥調節(jié)過程中，需要考慮開閥后的超調量對系統(tǒng)的影響，防止由于超調造成負載過大導致核心機負載過大而轉速持續(xù)下降的問題。

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

4 系統(tǒng)容積對旁路調節(jié)的影響

在閉式布雷頓循環(huán)總體參數(shù)以及各組件設計確定的條件下，影響系統(tǒng)容積的主要因素是各組件之間的連接管路，而連接管路的長度與走向直接與系統(tǒng)布局有關，即系統(tǒng)總裝布局決定了系統(tǒng)容積。由于以反應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堆屏蔽層質量(約占反應堆總重量的53%)；②減小管道長度，降低系統(tǒng)流動阻力。JIMO項目在反應堆與閉式布雷頓循環(huán)氣體回路之間設有主換熱器，因此熱源容積按照主換熱容積計算。根據(jù)組件設計和表 2管道數(shù)據(jù)，系統(tǒng)各部分容積占比和循環(huán)高、低壓側容積對比如圖 8所示。系統(tǒng)容積構成中高壓側與低壓側容積分別為54.04%和45.96%，其中回熱器占比最大達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，改變管道長度來計算不同管道容積(即總裝布局)下的系統(tǒng)性能變化，結果如圖 9所示。

圖9 不同容積下旁通閥調節(jié)對系統(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。管道長度較大的系統(tǒng)容積較大，仿真計算過程中，保持初始系統(tǒng)中的工質充裝壓力相同(容積大的系統(tǒng)工質充裝質量較大)。此時容積大的系統(tǒng)相比于容積較小的系統(tǒng)而言，在核心機達到額定轉速時系統(tǒng)壓比略小而流量略大。同時，旁通閥開度一致的情況下，旁通流量對于不同容積系統(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時間下，旁通閥對系統(tǒng)功率變化的程度與系統(tǒng)容積呈現(xiàn)負相關的關系。值得注意的是，管道長度增加必然導致流阻增加，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 結論

本文利用JIMO熱電轉換系統(tǒng)參數(shù)對壓氣機、渦輪進行了氣動設計，并且利用該系統(tǒng)換熱器參數(shù)得到了回熱器與冷卻器的性能參數(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)熱電轉換動態(tài)仿真模型，通過該模型對旁路調節(jié)下的系統(tǒng)動態(tài)特性進行了仿真計算。結果表明：

1)通過壓氣機與渦輪兩者出口之間的旁通閥，可實現(xiàn)系統(tǒng)輸出功率和轉速的快速調節(jié)；同時，該調節(jié)方式會造成循環(huán)高壓側壓力下降和低壓側壓力上升，并且導致渦輪出口溫度升高和壓氣機出口溫度降低，由此對回熱器造成一定沖擊。

2)系統(tǒng)在旁通調節(jié)后的最終平衡狀態(tài)與閥門響應時間無關，僅與閥門開度有關。

3)閥門響應時間影響調節(jié)過程中參數(shù)變化的劇烈程度，尤其是功率變化出現(xiàn)超調的現(xiàn)象。

4)通過管道容積對比不同系統(tǒng)容積下旁路調節(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。