空间闭式布雷顿循环旁路调节特性分析

王浩明，薛 翔，张银勇，林庆国

(1. 上海空间推进研究所，上海 201112；2.上海空间发动机工程技术研究中心，上海 201112)

0 引言

随着空间任务对能源动力需求的不断增长，常规化学能和太阳能由于已无法适应大范围轨道转移、空间拖船、深空探测等空间任务。核能以其长期、稳定的能量供应和大功率输出的特点，在可预期的未来成为了解决空间能源问题的唯一途径。然而，核能只能提供热能，虽然可以通过加热氢来达到900s的高比冲核热推进，但是在实现7000s比冲以上的高效核电推进、星表能源站或者其他科学载荷时需要进一步将核的热能转化为电能。以核反应堆为热源的空间大功率电源的研究从20世纪50年代开始一致持续至今，并且逐渐向着更高的功率量级发展。

核反应堆空间电源中除了反应堆之外，热电转换系统承担了将热能转换成电能的重要任务。热电转换方式主要包括静态转换(温差、热离子、碱金属等)和动态转换(朗肯循环、布雷顿循环、斯特林循环)两类，其中动态转换效率往往高于静态转换，一般情况下更适合大功率应用场合。在动态转换中，布雷顿循环相比于朗肯循环和斯特林循环，能够兼顾转换效率和系统质量，更重要的是随着系统功率的增加，布雷顿循环系统的质量比功率(kg/kWe)逐渐减小。因此，国外百千瓦和兆瓦级核动力飞行器均采用了布雷顿循环作为热电转换方案。

国外对于空间闭式布雷顿循环的研究起步较早，理论研究方面进行了热力循环的参数分析优化、系统工作特性的仿真验证等工作；试验验证方面，从早期的十千瓦级小功率核心机的系统试验逐渐发展到多机组并联闭式布雷顿循环研究、百千瓦级大功率核心机与电推进联合演示验证。国内闭式布雷顿循环的研究主要集中在系统级的热力学循环性能分析、基于重量尺寸和性能的多目标参数优化等，缺乏对具有空间应用特点的闭式布雷顿循环动态工作特性和运行控制策略的研究。本文以美国普罗米修斯计划的木星冰盖卫星轨道器Jupiter Icy Moon Obiter(JIMO)任务为研究对象，一方面在其总体循环参数的基础上，对涡轮、压气机等关键组件进行设计，获取组件特性；另一方面，根据其总装结构，建立管路模型。最终，建立全系统动态仿真模型，对系统容积变化、旁通阀开关引起的系统状态变化进行分析研究。

1 JIMO项目概述

本世纪初，NASA开始了普罗米修斯计划和JIMO任务。根据之前的技术积累，研制初期即确定了闭式布雷顿循环作为热电转换系统。热电转换系统采用简单回热式布雷顿循环以提高转换效率，系统输出功率为200 kWe，采用两个额定发电功率为100 kWe的闭式布雷顿循环发电模块并联实现。考虑到涡轮叶片材料以及辐射散热系统的尺寸重量，循环高低温端温度分别取为1 150 K和411 K，系统压比2.0，整体循环热效率为22.3%。循环各处温度压力参数如图1所示。

图1 100 kW闭式布雷顿循环参数Fig.1 Parameters of 100 kW closedBrayton cycle

2 计算模型

2.1 循环工质选择

闭式布雷顿循环的工质经历了空气、氮气、氦气、超临界二氧化碳、氦基混合气的过程。虽然空气或者氮气方面已有丰富的叶轮机械设计经验，但是由于热工性能特性较差，从流阻以及循环性能方面无法满足空间高效、紧凑型布雷顿循环热电转换系统的应用。超临界二氧化碳工质由于其密度高，便于叶轮机械的设计，理论上可以获得较高的循环效率，但是由于二氧化碳在近临界状态下物性变化剧烈，对系统控制提出了更高的要求。同时，超临界二氧化碳取得高转换效率的前提是低温端温度接近30℃左右的临界温度，但是对于空间辐射散热条件下，尤其是对于兆瓦及以上的大功率系统中，获得30℃的循环低温会大大增加辐射散热系统的尺寸和重量。氦气相比空气和氮气，优点在于其高热导率和低粘度，但是其缺点在于过低的摩尔质量导致了叶轮机械气动载荷的提高，增加设计难度。氦基混合气在氦气中混合其他摩尔质量更高的气体，一方面能够减小叶轮机械的气动载荷，另一方面会导致热工性能的下降。已有研究表明，氦、氙混合气体是比较适合用于空间闭式布雷顿循环的循环工质。其中，摩尔质量为40 g/mol的氦氙混合气适合于100 kWe级的大功率场合，摩尔质量为83.8g/mol的氦氙混合气适合于10 kWe级的小功率场合。

2.2 叶轮机械

根据系统循环流量和压比，对闭式布雷顿循环中的涡轮和压气机进行气动设计。设计采用单级向心涡轮，额定工况点温度压力分别为1 150 K和1.34 MPa，设计膨胀比1.9。设计采用单级离心压气机，转速为45 000 rpm，压比2.0，额定工况点温度和压力分别为411 K和0.69 MPa。通过CFD仿真得到涡轮特性曲线如图2所示，由此可以按式(1)得到涡轮和压气机折合转速、折合流量下的性能曲线，以此得到不同工况下的涡轮、压气机压比和效率。

(1)

图2 涡轮与压气机特性曲线Fig.2 Turbine and compressor characteristics

2.3 换热器

空间闭式布雷顿循环涉及换热器包括回热器与冷却器。换热器特性可通过换热有效度

ε

、压力损失△

p

/

p

等无量纲参数来表示，参数定义如下

(2)

Δp

/

p

=(

p

-

p

)/

p

(3)

式中

p

和

p

分别为进出口压力。换热器主要参数如表 1所示，表中下标h和c分别表示换热器热侧和冷侧。

表1 JIMO换热器设计参数

2.4 管道模型

JIMO项目布雷顿循环总装结构如图 3所示。与反应堆的对接接口，预估布雷顿循环主回路各管道长度如表2所示。

图3 JIMO闭式布雷顿循环热电转换系统总装布局Fig.3 Layout of JIMO’s closed Bratyon cycle thermo-electric conversion system

表2 主回路管道长度估算

2.5 系统模型

图4为带有旁通阀调节的闭式布雷顿循环动态仿真模型，其中各组件之间的连接管道按表 2参数设置，计算过程基于以下假设：①不考虑系统漏热；②压气机入口温度保持411 K不变；③反应堆通过简化模型代替。

图4 闭式布雷顿循环动态仿真模型Fig.4 Dynamic simulation model of closed Brayton cycle

3 旁路调节系统特性

3.1 系统参数变化

系统在额定工况下打开压气机与涡轮之间的旁通阀，压气机出口气体中有一部分直接与涡轮出口气体混合，图 5为开阀后(阀门响应时间为1 s)系统状态参数的变化。由于经过旁通阀的气体不参与加热和做功，因此核心机输出功率和转速在开阀后快速降低，在短时间(～4 s)内达到新的平衡。从功率和转速变化曲线中可以看到，从阀门开始动作(0 s)至阀门完全打开(1 s)，功率和转速均呈现下降趋势；1 s以后转速持续下降而功率呈现略有回升的趋势。

图5 系统状态参数变化Fig.5 Variation of system parameters

造成这种现象的原因在于，旁通阀打开瞬间造成压气机转速突降，效率下降较快，同时在此过程中低压侧压力开始升高。当阀门停止动作，低压侧升高的压力导致旁通阀流量相比于全开瞬间有所下降，于是输出功率逐渐回升。涡轮压气机方面，开阀后造成流经热源的流量变小，在加热功率不变的条件下，涡轮入口温度有所上升。同时由于转速下降，一方面使得压气机压比下降，出口温度和压力均降低，另一方面造成涡轮膨胀比下降，出口温度升高。

3.2 旁通阀开度的影响

图 6为旁通阀开度变化对系统状态的影响。旁通流量越大，系统功率和转速下降程度越大，当旁通流量达到主流的25%时，系统功率下降接近70%，转速下降约20%。因此，在闭式布雷顿循环中如果采用旁通阀调节系统转速和功率，需要控制旁通阀的开度，尤其是对于采用动压箔片轴承的核心机以免开度过大引起转速骤降，导致轴承承载力不足。

图6 不同旁通量下的系统功率和转速变化Fig.6 Power output and rotating speed change with different bypass flow rates

3.3 旁通阀响应时间的影响

图 7为旁通阀(开度一致)不同响应时间下系统开阀后的特性变化曲线。响应时间大小不影响系统最终的平衡状态。旁通阀响应时间越短，系统变化过程越剧烈，并且系统再次达到平衡所需时间更小。将相对功率曲线中新平衡状态下的值

P

与曲线中最小值

P

之差定义为超调量△

P

=

P

-

P

。从曲线数据可以看到，阀门响应时间越小，超调量越大，因此在旁通阀调节过程中，需要考虑开阀后的超调量对系统的影响，防止由于超调造成负载过大导致核心机负载过大而转速持续下降的问题。

图7 阀门响应速度对系统状态变化的影响Fig.7 Impact of valve response time on system state change

4 系统容积对旁路调节的影响

在闭式布雷顿循环总体参数以及各组件设计确定的条件下，影响系统容积的主要因素是各组件之间的连接管路，而连接管路的长度与走向直接与系统布局有关，即系统总装布局决定了系统容积。由于以反应堆为热源的空间闭式布雷顿循环系统在飞行器上的位置靠近核堆，因此总装布局需要考虑：①减小闭式布雷顿循环系统横截面积，通过减小屏蔽角来降低反应堆屏蔽层质量(约占反应堆总重量的53%)；②减小管道长度，降低系统流动阻力。JIMO项目在反应堆与闭式布雷顿循环气体回路之间设有主换热器，因此热源容积按照主换热容积计算。根据组件设计和表 2管道数据，系统各部分容积占比和循环高、低压侧容积对比如图 8所示。系统容积构成中高压侧与低压侧容积分别为54.04%和45.96%，其中回热器占比最大达46.84%，管道次之，占30.63%。

图8 闭式布雷顿循环各部分容积占比Fig.8 Volume percentage of each component in closed Brayton cycle

以表 2数据为基准，改变管道长度来计算不同管道容积(即总装布局)下的系统性能变化，结果如图 9所示。

图9 不同容积下旁通阀调节对系统的影响Fig.9 Effect of bypass valve regulation on system under different volumes

图9中200%和50%管道容积分别表示将表 2数据中的管道数据增加一倍和减半，管径保持不变。管道长度较大的系统容积较大，仿真计算过程中，保持初始系统中的工质充装压力相同(容积大的系统工质充装质量较大)。此时容积大的系统相比于容积较小的系统而言，在核心机达到额定转速时系统压比略小而流量略大。同时，旁通阀开度一致的情况下，旁通流量对于不同容积系统而言基本相同。因此容积大的系统在旁通阀打开并重新达到平衡后，功率略大于容积小的系统。即在相同的阀门开度和响应时间下，旁通阀对系统功率变化的程度与系统容积呈现负相关的关系。值得注意的是，管道长度增加必然导致流阻增加，但由于系统循环阻力主要集中在换热器芯体，因此由此造成的功率下降并不明显。

5 结论

本文利用JIMO热电转换系统参数对压气机、涡轮进行了气动设计，并且利用该系统换热器参数得到了回热器与冷却器的性能参数，最后基于各组件模型和管路布局形成了100 kWe空间闭式布雷顿循环热电转换动态仿真模型，通过该模型对旁路调节下的系统动态特性进行了仿真计算。结果表明：

1)通过压气机与涡轮两者出口之间的旁通阀，可实现系统输出功率和转速的快速调节；同时，该调节方式会造成循环高压侧压力下降和低压侧压力上升，并且导致涡轮出口温度升高和压气机出口温度降低，由此对回热器造成一定冲击。

2)系统在旁通调节后的最终平衡状态与阀门响应时间无关，仅与阀门开度有关。

3)阀门响应时间影响调节过程中参数变化的剧烈程度，尤其是功率变化出现超调的现象。

4)通过管道容积对比不同系统容积下旁路调节的系统特性，容积较大的系统在旁通流量一定的情况下，系统变化程度略小。