КОСМИЧЕСКАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА С МАШИННЫМ ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ ЭНЕРГИИ
EXTRA-TERRESTRIAL POWER PLANT WITH COMPUTER-AIDED ENERGY CONVERSION

Изобретение относится к области энергетического машиностроения, в частности к конструкциям энергетических установок космического назначения, и может быть использовано в космических аппаратах с электрореактивными двигателями и других космических объектах с большой мощностью электропотребления в течение длительного времени.
Известно, что лучшие энергомассовые характеристики среди различных типов космических энергетических установок большой мощности (100…1000 кВт) имеют установки с машинным преобразованием тепловой энергии в электрическую энергию, реализующие замкнутый термодинамический цикл Брайтона, включающий нагрев газообразного рабочего тела, преобразование тепловой энергии в механическую энергию посредством турбокомпрессора, регенерацию части оставшегося в рабочем теле после преобразования тепла и отвод остаточного (после регенерации) низкопотенциального тепла из рабочего контура во внешнюю среду. Схема такой космической энергетической установки представлена в книге: А.А.Гуров, Д.Д.Севрук, Д.И.Сурков Конструкция и проектирование двигательных установок. М., Машиностроение, 1980 г., стр.16, рис. 1.4.
Недостатки такой установки обусловлены тем, что в замкнутый рабочий контур включен проточный тракт теплообменника-излучателя, обеспечивающего отвод низкопотенциального тепла, что не позволяет реализовать основное преимущество замкнутых турбокомпрессорных установок - возможность существенного увеличения мощности и коэффициента полезного действия (кпд) за счет повышения давления газообразного рабочего тела в замкнутом рабочем контуре, без значительного повышения массы холодильника-излучателя в связи с необходимостью повышения прочности его проточного тракта по всей поверхности излучения.
Более высокие энергомассовые характеристики обеспечиваются введением специального замкнутого контура для отвода тепла посредством жидкого теплоносителя. В этот контур кроме проточного тракта холодильника-излучателя включен проточный тракт теплообменника-холодильника, предназначенного для отбора низкопотенциального тепла из рабочего контура (с выхода регенератора), и устройство для прокачки жидкого рабочего тела через контур. Схема такой установки с отводом низкопотенциального тепла посредством теплообменника-холодильника в жидкий теплоноситель-охладитель разработана для атомных электростанций и представлена в книге: А.Г.Костюк, А.Н.Шерстюк Газотурбинные установки. М., Высшая школа, 1979 г., стр.240, рис. 8.15а). На рисунке контур отвода тепла не замкнут - его замыкание подразумевается через сеть водоснабжения атомной электростанции, предусматривающей собственное устройство для прокачки воды через теплообменник-холодильник и ее охлаждение после теплообменника-холодильника либо в водоеме при электростанции, либо в градирне. Для космической энергетической установки, где эти решения неприемлемы, охлаждение жидкого теплоносителя (воды) возможно лишь посредством холодильника-излучателя.
Такая космическая энергетическая установка, включающая описанные выше рабочий контур и контур отвода тепла на жидком рабочем теле - теплоносителе с низким давлением в проточном тракте холодильника-излучателя принята за прототип предлагаемого изобретения.
Недостатки прототипа (как и аналога) обусловлены тем, что значительная часть тепла, содержащаяся в газообразном рабочем теле - теплоносителе рабочего контура после регенератора сбрасывается через контур теплоотвода в космическое пространство и не используется для выработки электроэнергии, что устанавливает теоретически возможный предел кпд термодинамического цикла и установки в целом.
Так расчетные оценки, проведенные применительно к космической энергетической установке с полезной электрической мощностью 900 кВт, использующей в качестве рабочего тела рабочего контура гелий-ксеноновую смесь и реализующей замкнутый термодинамический цикл Брайтона, показывают, что при давлении на входе в компрессор - 15 ата, степени сжатия компрессора - 2,6 и температуре рабочего тела на входе в турбину - 1235 К, с регенерацией тепла после турбины при эффективности регенератора 0,92 и охлаждением рабочей смеси до 320 К за счет теплоотвода низкопотенциального тепла из рабочего контура после регенератора (температура ≤573 К) посредством контура отвода тепла, при максимально возможных к.п.д. компрессора и турбины (0,8 и 0,9 соответственно) кпд термодинамического цикла не превышает величины 0,286; при этом кпд энергоустановки (с учетом потерь в электрогенераторе) ≤0,27.
Предлагаемое изобретение направлено на повышение экономичности космической энергетической установки с машинным преобразованием энергии путем уменьшения доли сбрасываемого в окружающее пространство тепла. Результат обеспечивается тем, что в космической энергетической установке с машинным преобразованием энергии, реализующей термодинамический цикл Брайтона в замкнутом рабочем контуре, в состав которого входят нагреватель, турбокомпрессор, кинематически связанный с электрогенератором, регенератор тепла, теплообменник, включенный теплопередающим трактом в рабочий контур после регенератора, а теплопринимающим трактом - в замкнутый контур отвода низкопотенциального тепла, использующий в качестве рабочего тела жидкость (воду, спирт и т.п.), в состав которого также входят устройства для прокачки жидкости через контур и холодильник-излучатель тепла в космическое пространство, устройство для прокачки выполнено в виде турбонасосного агрегата, кинематически связанного с электрогенератором, теплообменник выполнен как генератор перегретого пара, использующий низкопотенциальное тепло, отводимое из рабочего контура, а холодильник-излучатель выполнен в виде конденсатора пара с функцией последующего охлаждения конденсата, причем вход в насос турбонасосного агрегата сообщен с выходом тракта холодильника-излучателя, выход насоса - со входом в теплопринимающий тракт теплообменника-парогенератора - в противоток его теплопередающему тракту, вход в турбину турбонасосного агрегата сообщен с выходом теплопринимающего тракта теплообменника-парогенератора, а ее выход - со входом тракта холодильника-излучателя.
При таком исполнении конструкции космической энергетической установки часть отводимого из рабочего контура низкопотенциального тепла преобразуется в механическую энергию паровой турбины турбонасосного агрегата, которая в незначительном количестве (~3%) тратится на привод насоса, а в основном - на привод электрогенератора, дополнительно к механической энергии турбокомпрессора, вследствие чего при неизменной тепловой мощности нагревателя, мощность вырабатываемой энергетической установкой электроэнергии и, соответственно, кпд энергетической установки увеличивается. Расчетная оценка, проведенная применительно к указанной выше космической энергетической установке, показывает, что при выполнении ее конструкции в соответствии с предлагаемым изобретением возможно повышение ее электрической мощности на -100 кВт (до 1030 кВт), а кпд - до величины -0,31 (на -14,5%).
На чертеже представлена принципиальная схема космической энергетической установки.
В состав установки входят замкнутый рабочий контур, включающий нагреватель в виде ядерного реактора 1, турбокомпрессор 2, соединенный валом через муфту 3 с валом электрогенератора 4, регенератор 5, теплопередающий тракт теплообменника-парогенератора 6, а также замкнутый контур теплоотвода, включающий теплопринимающий тракт теплообменника-парогенератора 6, турбонасосный агрегат 7, соединенный валом через муфту 8 с валом электрогенератора 4, и холодильник-излучатель 9.
При работе космической энергетической установки, в рабочем контуре, реализующем термодинамический цикл Брайтона, тепловая энергия газообразного рабочего тела, полученная от нагревателя 1, частично преобразуется в механическую энергию турбокомпрессора 2, обеспечивающего вращение ротора электрогенератора 4 посредством момента силы, передаваемого через муфту 3. Электрогенератор 4 преобразует механическую энергию вращения в электрическую энергию. При этом часть тепловой энергии газообразного рабочего тела с выхода турбины турбокомпрессора 2 посредством регенератора 5 передается в рабочее тело на выходе компрессора турбокомпрессора 2, а низкопотенциальное тепло рабочего тела, на выходе регенератора 5, передается посредством теплообменника-парогенератора 6 в контур отвода тепла. При этом температура газообразного рабочего тела на входе в компрессор турбокомпрессора 2 понижается до величины, заданной термодинамическим циклом Брайтона, а отводимое из рабочего контура тепло в теплообменнике-парогенераторе 6 частично тратится на парообразование и перегрев пара. Перегретый пар из теплообменника-парогенератора 6 поступает на турбину турбонасосного агрегата 7, где тепловая энергия перегретого пара преобразуется в механическую энергию турбины турбонасосного агрегата 7, незначительная часть которой расходуется на привод насоса турбонасосного агрегата, а основная часть - через муфту 8 - передается на привод электрогенератора 4, который преобразует ее в электрическую энергию. Перегретый пар с выхода турбины турбонасосного агрегата 7 поступает в холодильник-излучатель 9, где конденсируется с последующим охлаждением конденсата до заданной температуры, после чего охлажденный конденсат поступает на вход в насос турбонасосного агрегата 7.
Таким образом в контуре отвода тепла реализуется добавочная мощность привода электрогенератора, что увеличивает электрическую мощность, вырабатываемую космической энергетической установкой без повышения тепловой мощности нагревателя, соответственно увеличивая коэффициент полезного действия энергоустановки.