空間閉式布雷頓循環旁路調節特性分析

王浩明，薛 翔，張銀勇，林慶國

(1. 上海空間推進研究所，上海 201112；2.上海空間發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年代開始一致持續至今，并且逐漸向著更高的功率量級發展。

核反應堆空間電源中除了反應堆之外，熱電轉換系統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轉換(溫差、熱離子、堿金屬等)和動態轉換(朗肯循環、布雷頓循環、斯特林循環)兩類，其中動態轉換效率往往高于靜態轉換，一般情況下更適合大功率應用場合。在動態轉換中，布雷頓循環相比于朗肯循環和斯特林循環，能夠兼顧轉換效率和系統質量，更重要的是隨著系統功率的增加，布雷頓循環系統的質量比功率(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作為熱電轉換方案。

國外對于空間閉式布雷頓循環的研究起步較早，理論研究方面進行了熱力循環的參數分析優化、系統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試驗逐漸發展到多機組并聯閉式布雷頓循環研究、百千瓦級大功率核心機與電推進聯合演示驗證。國內閉式布雷頓循環的研究主要集中在系統級的熱力學循環性能分析、基于重量尺寸和性能的多目標參數優化等，缺乏對具有空間應用特點的閉式布雷頓循環動態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參數的基礎上，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，根據其總裝結構，建立管路模型。最終，建立全系統動態仿真模型，對系統容積變化、旁通閥開關引起的系統狀態變化進行分析研究。

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。根據之前的技術積累，研制初期即確定了閉式布雷頓循環作為熱電轉換系統。熱電轉換系統采用簡單回熱式布雷頓循環以提高轉換效率，系統輸出功率為200 kWe，采用兩個額定發電功率為100 kWe的閉式布雷頓循環發電模塊并聯實現。考慮到渦輪葉片材料以及輻射散熱系統的尺寸重量，循環高低溫端溫度分別取為1 150 K和411 K，系統壓比2.0，整體循環熱效率為22.3%。循環各處溫度壓力參數如圖1所示。

圖1 100 kW閉式布雷頓循環參數Fig.1 Parameters of 100 kW closedBrayton cycle

2 計算模型

2.1 循環工質選擇

閉式布雷頓循環的工質經歷了空氣、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驗，但是由于熱工性能特性較差，從流阻以及循環性能方面無法滿足空間高效、緊湊型布雷頓循環熱電轉換系統的應用。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效率，但是由于二氧化碳在近臨界狀態下物性變化劇烈，對系統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中，獲得30℃的循環低溫會大大增加輻射散熱系統的尺寸和重量。氦氣相比空氣和氮氣，優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的循環工質。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

根據系統循環流量和壓比，對閉式布雷頓循環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

等無量綱參數來表示，參數定義如下

(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

2.4 管道模型

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

圖3 JIMO閉式布雷頓循環熱電轉換系統總裝布局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 系統模型

圖4為帶有旁通閥調節的閉式布雷頓循環動態仿真模型，其中各組件之間的連接管道按表 2參數設置，計算過程基于以下假設：①不考慮系統漏熱；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 閉式布雷頓循環動態仿真模型Fig.4 Dynamic simulation model of closed Brayton cycle

3 旁路調節系統特性

3.1 系統參數變化

系統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)系統狀態參數的變化。由于經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)，功率和轉速均呈現下降趨勢；1 s以后轉速持續下降而功率呈現略有回升的趨勢。

圖5 系統狀態參數變化Fig.5 Variation of system parameters

造成這種現象的原因在于，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狀態的影響。旁通流量越大，系統功率和轉速下降程度越大，當旁通流量達到主流的25%時，系統功率下降接近70%，轉速下降約20%。因此，在閉式布雷頓循環中如果采用旁通閥調節系統轉速和功率，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開閥后的特性變化曲線。響應時間大小不影響系統最終的平衡狀態。旁通閥響應時間越短，系統變化過程越劇烈，并且系統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

。從曲線數據可以看到，閥門響應時間越小，超調量越大，因此在旁通閥調節過程中，需要考慮開閥后的超調量對系統的影響，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下降的問題。

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

4 系統容積對旁路調節的影響

在閉式布雷頓循環總體參數以及各組件設計確定的條件下，影響系統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布局有關，即系統總裝布局決定了系統容積。由于以反應堆為熱源的空間閉式布雷頓循環系統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系統橫截面積，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，降低系統流動阻力。JIMO項目在反應堆與閉式布雷頓循環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。根據組件設計和表 2管道數據，系統各部分容積占比和循環高、低壓側容積對比如圖 8所示。系統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 閉式布雷頓循環各部分容積占比Fig.8 Volume percentage of each component in closed Brayton cycle

以表 2數據為基準，改變管道長度來計算不同管道容積(即總裝布局)下的系統性能變化，結果如圖 9所示。

圖9 不同容積下旁通閥調節對系統的影響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數據中的管道數據增加一倍和減半，管徑保持不變。管道長度較大的系統容積較大，仿真計算過程中，保持初始系統中的工質充裝壓力相同(容積大的系統工質充裝質量較大)。此時容積大的系統相比于容積較小的系統而言，在核心機達到額定轉速時系統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而言基本相同。因此容積大的系統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。即在相同的閥門開度和響應時間下，旁通閥對系統功率變化的程度與系統容積呈現負相關的關系。值得注意的是，管道長度增加必然導致流阻增加，但由于系統循環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熱電轉換系統參數對壓氣機、渦輪進行了氣動設計，并且利用該系統換熱器參數得到了回熱器與冷卻器的性能參數，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熱電轉換動態仿真模型，通過該模型對旁路調節下的系統動態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，可實現系統輸出功率和轉速的快速調節；同時，該調節方式會造成循環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)系統在旁通調節后的最終平衡狀態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過程中參數變化的劇烈程度，尤其是功率變化出現超調的現象。

4)通過管道容積對比不同系統容積下旁路調節的系統特性，容積較大的系統在旁通流量一定的情況下，系統變化程度略小。