閉式布雷頓循環(huán)核心機(jī)調(diào)控過程仿真分析

薛 翔，杜 磊，王浩明，張銀勇，林慶國

(上?？臻g推進(jìn)研究所 上?？臻g發(fā)動機(jī)工程技術(shù)研究中心，上海 201112)

0 引言

伴隨著人類太空探索的足跡不斷擴(kuò)展，在越來越多的空間任務(wù)中，以化學(xué)燃料和太陽能為主的常規(guī)空間動力能源已不能完全滿足任務(wù)需求。利用核能實現(xiàn)空間推進(jìn)的航天器具備高比沖、大推力、長壽命等特點，可以突破化學(xué)能推進(jìn)的極限，同時不受制于太陽光照條件，是面向未來探索太陽系邊界等深空探測任務(wù)的重要保障。

基于閉式布雷頓循環(huán)的熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)能夠很好地實現(xiàn)百千瓦至兆瓦級的空間核電推進(jìn)，其循環(huán)系統(tǒng)主要由核心機(jī)(渦輪、壓氣機(jī)、電機(jī))、核熱源、換熱器和冷卻器等部件構(gòu)成。閉式布雷頓循環(huán)核心機(jī)的變工況調(diào)節(jié)過程中不同系統(tǒng)參數(shù)都會受到影響，如果調(diào)控策略制定不合理，會嚴(yán)重影響整個系統(tǒng)的循環(huán)效率和運行穩(wěn)定性。

國外在該領(lǐng)域的研究起步較早，NASA從20世紀(jì)60年代就開始了空間閉式布雷頓循環(huán)的研究，研制了小功率閉式布雷頓循環(huán)核心機(jī)(Brayton rotating unit,BRU)。本世紀(jì)初美國啟動了木星冰蓋衛(wèi)星軌道器(jupiter icy Moons obiters，JIMO)計劃，文獻(xiàn)[5]介紹俄羅斯也在2009年首次公布兆瓦級核電推進(jìn)飛船總體設(shè)計方案。歐盟也開展了兆瓦級國際空間核電推進(jìn)飛船(international nuclear power and propulsion system，INPPS)計劃，目前完成了兆瓦級核電推進(jìn)太空飛船的總體系統(tǒng)設(shè)計和地面演示試驗臺搭建。這些本質(zhì)上都是以閉式布雷頓循環(huán)熱電轉(zhuǎn)換為基礎(chǔ)的空間核電推進(jìn)飛行器。國外研究者針對閉式布雷頓循環(huán)核心機(jī)主要進(jìn)行了地面試驗、系統(tǒng)仿真和循環(huán)參數(shù)優(yōu)化等研究。國內(nèi)的相關(guān)研究工作主要集中在閉式布雷頓循環(huán)系統(tǒng)的性能分析、循環(huán)參數(shù)優(yōu)化和核心機(jī)中部件的單機(jī)試驗研究，對于空間閉式布雷頓循環(huán)核心機(jī)動態(tài)調(diào)節(jié)策略與系統(tǒng)參數(shù)反饋的研究還有所欠缺。

本文聚焦空間閉式布雷頓循環(huán)核心機(jī)啟動加載過程中的調(diào)控策略問題，擬通過轉(zhuǎn)速和反應(yīng)堆加熱的協(xié)同控制，在維持核心機(jī)空載狀態(tài)下將轉(zhuǎn)速逐漸提高至額定滿轉(zhuǎn)速，隨后再熱加載，輸出電功率，完成核心機(jī)啟動升速和加載的全過程。參考JIMO計劃中公布的閉式布雷頓循環(huán)參數(shù)，對壓氣機(jī)、渦輪等葉輪機(jī)械部件進(jìn)行設(shè)計，通過氣動仿真得到其全工況范圍性能特性。進(jìn)一步根據(jù)系統(tǒng)總裝布局，建立循環(huán)系統(tǒng)仿真模型，對核心機(jī)升速啟動過程中的系統(tǒng)參數(shù)、機(jī)組狀態(tài)等特性進(jìn)行研究，為機(jī)組熱試車的調(diào)控策略和初始狀態(tài)參數(shù)選擇提供指導(dǎo)性建議。

1 計算模型

1.1 系統(tǒng)循環(huán)參數(shù)設(shè)定

參照J(rèn)IMO計劃中公布的額定發(fā)電功率為100 kW的閉式布雷頓循環(huán)參數(shù)，考慮到目前渦輪葉片材料的耐溫水平以及輻射散熱器的尺寸質(zhì)量限制，循環(huán)系統(tǒng)的熱端(渦輪入口)和冷端(壓氣機(jī)入口)溫度分別定為1 150 K和411 K，循環(huán)系統(tǒng)各處的溫度、壓力參數(shù)如圖1所示，循環(huán)工質(zhì)選用摩爾質(zhì)量為40 g/mol的He/Xe混合氣，氣體工質(zhì)流量為3.5 kg/s，核心機(jī)中渦輪、壓氣機(jī)和電機(jī)采用同軸設(shè)計，轉(zhuǎn)速為45 000 r/min。

圖1 JIMO額定發(fā)電功率為100 kW的閉式布雷頓循環(huán)系統(tǒng)參數(shù)

1.2 葉輪機(jī)械設(shè)計與氣動仿真

空間閉式布雷頓循環(huán)系統(tǒng)受限于空間尺寸和重量，渦輪和壓氣機(jī)通常選用單級徑流形式，即向心渦輪和離心壓氣機(jī)，并且由于無法匹配體積龐大的變速箱，需要采用同軸設(shè)計，這與地面閉式布雷頓發(fā)電系統(tǒng)有所區(qū)別，系統(tǒng)變工況調(diào)節(jié)手段也會有很大差異。

根據(jù)圖1中的系統(tǒng)參數(shù)，以向心渦輪絕熱效率≥89%，離心壓氣機(jī)絕熱效率≥83%，綜合喘振裕度≥15%，且壓氣機(jī)和渦輪額定轉(zhuǎn)速相互匹配的技術(shù)要求對該閉式循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的離心壓氣機(jī)和向心渦輪進(jìn)行了氣動設(shè)計，并通過CFD模擬獲得渦輪和壓氣機(jī)在全工況范圍下的性能曲線如圖2所示，其中流量和轉(zhuǎn)速均采用與額定狀態(tài)下參數(shù)的相對比例表示。

圖2 葉輪機(jī)械全工況范圍性能曲線

1.3 電機(jī)模型簡化

考慮到空間閉式布雷頓循環(huán)內(nèi)電機(jī)多為啟發(fā)一體式，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，需要考慮轉(zhuǎn)子、靜子、線圈匝數(shù)及具體控制邏輯。為了簡化計算，只考慮電動機(jī)/發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、電壓和扭矩的關(guān)系，認(rèn)為扭矩

Γ

是電壓

U

和轉(zhuǎn)速

ω

的函數(shù)，即

Γ

=

f

(

U

,

ω

)

(1)

借鑒額定發(fā)電功率為100 kW的通用電機(jī)參數(shù)表，制定電動機(jī)/發(fā)電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下電壓和扭矩的關(guān)系如圖3所示。當(dāng)轉(zhuǎn)速和扭矩符號相同時，為電動機(jī)模式；當(dāng)轉(zhuǎn)速和扭矩符號相異時，為發(fā)電機(jī)模式。

圖3 啟發(fā)一體式電機(jī)的電壓-扭矩線

電機(jī)功率

P

和電機(jī)機(jī)械功率

P

的關(guān)系如下

P

=

P

+

Q

(2)

P

=

UI

(3)

P

=

Γω

(4)

(5)

式中：

I

為電動機(jī)/發(fā)電機(jī)工作電流；

Q

為電動機(jī)/發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的熱量；

η

為電動機(jī)/發(fā)電機(jī)效率。

1.4 系統(tǒng)仿真模型構(gòu)建

利用系統(tǒng)仿真軟件AMESim建立整體空間閉式布雷頓循環(huán)系統(tǒng)模型如圖4所示，其中壓氣機(jī)和透平利用氣動仿真得到的全工況范圍性能曲線數(shù)據(jù)，電機(jī)采用上述簡化模型，反應(yīng)堆以加熱器模型代替，系統(tǒng)各部分的相對容積按照圖5設(shè)置。該系統(tǒng)仿真模型的建立基于整體循環(huán)系統(tǒng)為閉口絕熱系統(tǒng)的假設(shè)，并且動態(tài)仿真過程中冷端(壓氣機(jī)入口)溫度認(rèn)為可以通過散熱板冷卻器的控制維持基本不變。

圖4 閉式布雷頓循環(huán)系統(tǒng)模型

圖5 系統(tǒng)容積組成

2 核心機(jī)升速啟動過程系統(tǒng)仿真

2.1 過程控制策略描述

以精確轉(zhuǎn)速控制為基礎(chǔ)的核心機(jī)啟動和升速加載過程的調(diào)控邏輯如圖6所示，其總體過程主要分為以下四步：

圖6 核心機(jī)啟動和升速加載過程控制邏輯

1)核心機(jī)在電機(jī)驅(qū)動下啟動并快速升速至額定轉(zhuǎn)速的35%，完成轉(zhuǎn)子氣浮軸承的起飛。

2)轉(zhuǎn)子軸承起飛后1 000 s，反應(yīng)堆處的模擬加熱器啟動并逐漸提高功率，電機(jī)在電動機(jī)狀態(tài)下的輸入功率逐漸下降；同時，通過電機(jī)驅(qū)動器提升電機(jī)轉(zhuǎn)速，每間隔300 s升高5 000 r/min，其中反應(yīng)堆熱功率的升降以電機(jī)功耗為判據(jù)(當(dāng)電機(jī)功耗小于設(shè)定值時，熱功率不再提高)。

3)電機(jī)按照給定電機(jī)升速曲線逐漸達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，整個啟動升速過程保持核心機(jī)空載。

4)繼續(xù)提高反應(yīng)堆熱功率，核心機(jī)逐漸輸出電功率，直到達(dá)到設(shè)計工況。

2.2 系統(tǒng)仿真結(jié)果

2.2.1 設(shè)計初始充氣壓力狀態(tài)

通過對設(shè)計初始狀態(tài)下的核心機(jī)實施上述調(diào)控策略升速并加載至額定滿狀態(tài)，從整個過程中系統(tǒng)參數(shù)和組件參數(shù)的變化情況來進(jìn)一步判定該調(diào)控策略的可行性。JIMO計劃中該方案的初始?xì)鈮毫?00 kPa，在該狀態(tài)下，核心機(jī)按照上述控制策略先快速啟動并升速至額定轉(zhuǎn)速的35%，轉(zhuǎn)子軸承判定起飛后，開始每穩(wěn)定300 s轉(zhuǎn)速提高500 r/min。在整個啟動升速過程中，控制熱功率的提升，達(dá)到輸出功率基本為0(空載)的目的，同時實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定提升。在達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后，熱功率持續(xù)增加，逐漸達(dá)到額定輸出軸功率100 kW，循環(huán)熱效率22.3%，發(fā)電效率20.5%(電機(jī)效率按92%計算)。整個過程中系統(tǒng)參數(shù)和組件參數(shù)的變化情況分別如圖7和圖8所示。

圖7 初始壓力為400 kPa核心機(jī)升速加載過程中系統(tǒng)參數(shù)變化情況

圖8 初始壓力為400 kPa核心機(jī)升速加載過程中組件參數(shù)變化情況

可以看出，在核心機(jī)啟動并快速升速至轉(zhuǎn)子軸承起飛轉(zhuǎn)速(35%額定轉(zhuǎn)速)后穩(wěn)定1 000 s，開始啟動反應(yīng)堆處的模擬加熱器并提高加熱功率，此時循環(huán)工質(zhì)流量、各處壓力、渦輪入口和出口溫度、回?zé)崞骰責(zé)岫群蜏u輪絕熱效率都有較為明顯的變化。隨后按照圖6中的核心機(jī)升速啟動策略，轉(zhuǎn)速呈階梯狀穩(wěn)步上升，循環(huán)系統(tǒng)工質(zhì)流量隨之上升，反應(yīng)堆模擬器的加熱功率和冷卻器的散熱量也逐漸提高，回?zé)岫群蜏u輪效率始終保持在90%左右。在核心機(jī)升速加載過程中，壓氣機(jī)壓比和渦輪膨脹比逐漸提高，壓氣機(jī)效率有所波動，最低低至68%，最終在核心機(jī)升速至滿轉(zhuǎn)速時達(dá)到80%，根據(jù)圖2(b)中的壓氣機(jī)全工況范圍性能曲線可知，在整個過程中壓氣機(jī)均處于穩(wěn)定運行區(qū)間。當(dāng)?shù)?8 750 s(核心機(jī)升速至滿轉(zhuǎn)速)后，繼續(xù)加載到額定輸出軸功率為100 kW的滿狀態(tài)，循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)電機(jī)開始發(fā)電，開始輸出電功率，并提升至額定功率100 kW，整體循環(huán)效率達(dá)到額定值22.3%。其過程中，循環(huán)工質(zhì)流量、壓氣機(jī)壓比和渦輪膨脹比進(jìn)一步提高，最終各系統(tǒng)和組件部分重要參數(shù)的情況如下：

1)反應(yīng)堆熱功率391.5 kW，工質(zhì)流量3 044 g/s，熱端溫度1 128.2 K。

2)冷卻器散熱量277.4 kW，全過程中維持出口溫度為411 K。

3)壓氣機(jī)效率83.8%，渦輪效率91.0%，回?zé)崞骰責(zé)岫?0.3%。

2.2.2 不同相對較低初始壓力狀態(tài)對比

通過系統(tǒng)仿真驗證了該調(diào)控邏輯可以將閉式布雷頓循環(huán)核心機(jī)從設(shè)計初始狀態(tài)穩(wěn)步提升至額定滿狀態(tài)之后，為了給初期的系統(tǒng)熱試車調(diào)試尋找一個相對較低的合適初始壓力值，降低氣體泄漏的風(fēng)險，因而又選擇了不同的相對較低初始壓力360 kPa、300 kPa和200 kPa(90%、75%和50%設(shè)計初始壓力值)狀態(tài)進(jìn)行對比。采用該調(diào)控策略進(jìn)行了同樣流程的系統(tǒng)仿真，核心機(jī)升速及加載過程中系統(tǒng)與組件參數(shù)的變化趨勢相似，當(dāng)核心機(jī)達(dá)到額定輸出功率為100 kW的滿狀態(tài)時，不同初始壓力狀態(tài)下的循環(huán)系統(tǒng)和組件部分重要參數(shù)如表1所示。

表1 不同初始壓力下滿狀態(tài)下循環(huán)系統(tǒng)和組件部分重要參數(shù)

通過對比可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)初始壓力較低(即工質(zhì)充填量較小)時，循環(huán)流量較小，回?zé)嵝枰O(shè)置更大的換熱面積，因此回?zé)岫扔兴仙?。在相對較低初始壓力300 kPa和200 kPa(75%和50%設(shè)計初始壓力值)狀態(tài)下，當(dāng)核心機(jī)要加載到滿狀態(tài)，渦輪入口溫度會高于設(shè)計溫度。尤其在初始壓力為200 kPa的狀態(tài)下，核心機(jī)加載到滿狀態(tài)需要循環(huán)系統(tǒng)熱端溫度達(dá)到1 410.3 K，遠(yuǎn)超渦輪設(shè)計溫度，可能會出現(xiàn)渦輪葉片材料超溫?fù)p壞的現(xiàn)象，此時渦輪效率也相比其他初始壓力狀態(tài)下有明顯降低。在渦輪葉片不超溫的前提下，通過仿真結(jié)果可知，要保證循環(huán)系統(tǒng)熱端溫度不超過1 150 K(渦輪入口溫度設(shè)計值)，則該初始壓力條件能夠輸出最大功率為65.8 kW(額定輸出功率的65.8%)，此時反應(yīng)堆模擬加熱功率為212 kW。在初始壓力為400 kPa的設(shè)計狀態(tài)下，核心機(jī)升速加載至滿狀態(tài)時渦輪入口溫度可以嚴(yán)格控制在設(shè)計溫度1 150 K以內(nèi)，出于安全性考慮，此狀態(tài)更適用于核心機(jī)要滿狀態(tài)運行的情況。但在早期的低狀態(tài)試車調(diào)試過程中，為了防止試驗中閉式系統(tǒng)密封性出現(xiàn)問題，可以選擇較低的壓力體系(50%設(shè)計初始壓力值)，只要控制反應(yīng)堆加熱功率在212 kW以內(nèi)，渦輪入口溫度就可以保證在設(shè)計值以內(nèi)，不會出現(xiàn)超溫現(xiàn)象，核心機(jī)通過加載最大可輸出額定電功率的65.8%。

3 結(jié)論

在空間閉式布雷頓循環(huán)系統(tǒng)動態(tài)仿真模型的基礎(chǔ)上，制定了以精確轉(zhuǎn)速控制作為運行標(biāo)準(zhǔn)的核心機(jī)調(diào)控策略，并對不同初始壓力下的核心機(jī)升速加載過程進(jìn)行了仿真計算。根據(jù)系統(tǒng)仿真結(jié)果，得到以下結(jié)論：

1)核心機(jī)可以通過轉(zhuǎn)速與反應(yīng)堆加熱情況的協(xié)同調(diào)控策略，在維持核心機(jī)空載的狀態(tài)下將其轉(zhuǎn)速逐漸升至額定滿轉(zhuǎn)速，再進(jìn)一步提高加熱功率進(jìn)行熱加載至滿狀態(tài)。整個調(diào)控過程中各系統(tǒng)和部件參數(shù)穩(wěn)步趨于設(shè)計要求值，壓氣機(jī)在整個調(diào)節(jié)過程中始終處于穩(wěn)定運行區(qū)間內(nèi)。

2)在循環(huán)系統(tǒng)初始壓力較低的狀態(tài)下，意味著工質(zhì)充填量較小，循環(huán)流量也相應(yīng)較小，回?zé)崞餍枰蟮膿Q熱面積，回?zé)崞鞯幕責(zé)岫葧兴仙?/p>

3)在循環(huán)系統(tǒng)初始壓力較低的情況下，需要在更高的渦輪入口溫度條件下，才能夠達(dá)到與高初始壓力情況下相同的滿狀態(tài)電功率輸出。在核心機(jī)要滿狀態(tài)運行的情況下，需要選擇合適的初始壓力，防止渦輪材料出現(xiàn)超溫?fù)p壞。

4)相對較低的循環(huán)系統(tǒng)初始壓力可以降低氣體泄漏的風(fēng)險，在循環(huán)系統(tǒng)調(diào)試初期的低狀態(tài)試車中可以優(yōu)先選擇相對較低的壓力體系，但要通過監(jiān)控核心機(jī)渦輪入口溫度來確定反應(yīng)堆加熱功率和輸出電功率的上限值。