Космическая энергетическая установка с машинным преобразованием энергии
SPACE POWER PLANT WITH MACHINE ENERGY CONVERSION

Изобретение относится к области энергетического машиностроения и может быть использовано в конструкциях космических турбокомпрессорных энергетических установок.
Известно, что максимальную эффективность преобразования тепловой энергии в электрическую в условиях космоса могут обеспечить энергетические установки с машинным преобразованием энергии, реализующие замкнутый термодинамический цикл Брайтона, включающий сжатие с повышением давления газообразного рабочего тела в компрессоре нагрев его, преобразование полученной за счет нагрева тепловой энергии в механическую посредством расширения его при срабатывании перепада давления в турбине турбокомпрессора, регенерацию оставшегося в рабочем теле после преобразования тепла и отвод оставшегося после регенерации низкопотенциального тепла из рабочего контура во внешнюю среду посредством холодильника-излучателя. Схема такой энергетической установки представлена в книге "А.А. Гуров, Д.Д. Севрук, Д.И. Сурков "Конструкция и проектирование двигательных установок", изд. Машиностроение, 1980 г., стр. 16, рисунок 1.4.
Недостатки такой установки обусловлены тем, что в замкнутый рабочий контур включен проточный тракт теплообменника излучателя, обеспечивающего отвод низкопотенциального тепла, что исключает возможность существенного увеличения мощности и коэффициента полезного действия (КПД) энергетической установки 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 из рабочего контура посредством жидкого теплоносителя (Патент РФ №2508460 от 27.02.2014). В этот контур, кроме тракта холодильника -излучателя тепла в космическое пространство, включен проточный тракт теплообменника-холодильника, принимающий низкопотенциальное тепло из рабочего контура - с выхода регенератора, а также устройство для прокачки жидкого рабочего тела через контур (не указано на рисунке). Такая энергетическая установка с машинным преобразованием энергии, реализующая замкнутый термодинамический цикл Брайтона с отводом низкопотенциального тепла из него через теплообменник-холодильник посредством жидкого теплоносителя на холодильник-излучатель принята за прототип изобретения.
2
2
κ
τ
Недостатком энергоустановки-прототипа (как и энергоустановки аналога) является то, что в энергоустановке космического назначения, одним из основных требований к которой является требование большого ресурса по времени работы (до 10 лет), что исключает возможность применения контактных уплотнений по валу, имеют место значительные перетечки газообразного рабочего тела через щелевые уплотнения вала с выхода рабочего колеса компрессора в турбину. Проблема усугубляется при использовании в качестве опор вала турбокомпрессора активных электромагнитных подшипников (АМП), без которых невозможно выполнение требований по ресурсу, а надежная работа АМП обеспечивается лишь при наличии зазора между статором и ротором подшипника не менее 0,4 мм. Следовательно, и высота щели щелевого уплотнения вала не должна превышать указанную величину, что в итоге существенно снижает КПД энергоустановки. Так, расчетная оценка показывает, что в турбокомпрессоре с диаметром вала 35 мм, степенью сжатия компрессора - 2,6, степенью расширения рабочего тела (аргон) в турбине - 0,42 при температуре рабочего тела на входе в компрессор 400 К, давлении на выходе из компрессора - 34 кгс/см и давлении на входе в рабочее колесо турбины 32 кгс/см величина расхода утечки рабочего тела из компрессора в турбину через щелевое уплотнение с зазором - 0,4 мм равна -0,136 кг/с, что составляет 4,1% от расхода через рабочий контур энергоустановки с расчетной (без утечек) мощностью 225 кВт. Эти утечки, при термодинамическом коэффициенте полезного действия компрессора η=0,8, турбины η=0,86 и температуре рабочего тела входе в турбину 1500 К приводят к уменьшению передаваемой на вал электрогенератора мощности на ~ 24 кВт или уменьшению выходной мощности энергоустановки на - 10,6%. Соответственно уменьшается коэффициент полезного действия энергоустановки.
Изобретение направлено на повышение коэффициента полезного действия энергоустановки за счет исключения перетечек рабочего тела из компрессора в турбину. Результат обеспечивается тем, что в космической энергетической установке с машинным преобразованием энергии в замкнутом контуре с газообразным рабочим телом, реализующем термодинамический цикл Брайтона, в состав которого входят нагреватель, турбокомпрессор, кинематически связанный с электрогенератором, регенератор тепла, теплообменник-холодильник для отвода низкопотенциального тепла из газового контура посредством жидкого теплоносителя на холодильник-излучатель тепла в космическое пространство, на валу турбокомпрессора, между компрессором и турбиной установлен гидрозатвор в виде двухстороннего импеллера, периферия колеса которого сообщена одним трубопроводом, включающим отсечной клапан, с выходом электронасоса, вход в который сообщен с магистралью подвода жидкого теплоносителя в теплообменник-холодильник, а другим трубопроводом, включающим дроссельную шайбу и обратный клапан - с магистралью отвода жидкого теплоносителя из теплообменника-холодильника.
Выполненная таким образом конструкция энергоустановки исключает утечку газообразного рабочего тела из компрессора в турбину следующим образом. При рабочих оборотах вала турбогенератора и, соответственно, установленного на нем рабочего колеса импеллера с двумя крыльчатками, разделенными диском, подаваемый по трубопроводу из электронасоса на периферию импеллера жидкий теплоноситель с давлением, превышающим давление в газовом рабочем контуре энергоустановки может заполнить периферийные кольцевые зоны каждой из двух крыльчаток, разделенных диском двухстороннего импеллера лишь до уровня, при котором устанавливается равенство давления, создаваемого напором электронасоса, сумме давления газа в корневой части импеллера и давления, создаваемого ее напором, который определяется толщиной кольцевого слоя жидкости, заполняющей крыльчатку. Таким образом в полостях импеллера, разделенных диском формируются кольцевые уровни, исключающие перетечку жидкости из одной полости в другую, при этом в полости с большим давлением газа в ее корневой части (со стороны компрессора) уровень расположен ближе к периферии крыльчатки импеллера, а в полости с меньшим давлением газа (со стороны турбины) уровень заполнения сформирован ближе к корневой части импеллера. Стабильность расположения уровней автоматически поддерживается, так как при опорожнении полости крыльчатки, с одной стороны импеллера, жидкость может перетекать лишь в полость крыльчатки другой стороны импеллера, при этом толщины кольцевых слоев жидкости и, соответственно, напоры крыльчаток импеллера изменяются, компенсируя факторы, вызвавшие отклонения от указанных выше условий равновесия давлений, что исключает поступление газа из одной полости двухстороннего импеллера в другую и, следовательно, утечку газа из компрессора в турбину.
-5
3
2
2
При этом наличие трубопроводов подвода жидкого теплоносителя к периферии крыльчаток импеллера и отвода его от периферии крыльчаток обеспечивает расход жидкости через кольцевые зазоры между крыльчатками и корпусом двухстороннего импеллера с интенсивным массообменом в кольцевых слоях жидкости, заполняющей крыльчатки по обе стороны диска двухстороннего импеллера, что исключает ее перегрев и, следовательно, препятствует интенсификации испарения с поверхностей раздела жидкости и газа, сформированных в двух крыльчатках импеллера. Наличие дроссельной шайбы в одном из трубопроводов нормирует расход жидкости через периферию импеллера, а отсечной и обратный клапаны в трубопроводах препятствуют поступлению жидкого теплоносителя в газовый тракт энергоустановки при запуске, обеспечивая его доступ к периферии импеллера лишь при достижении номинальных оборотов установившегося режима турбокомпрессора. Во время работы энергоустановки имеет место контакт жидкого теплоносителя и газообразного рабочего тела, задействованного в цикле Брайтона по кольцевым уровням границ раздела фаз в полостях крыльчаток импеллера и, следовательно, возможно попадание паров жидкости в газовый тракт вследствие испарения с этих уровней. Однако влияния на теплофизические, радиационные и прочие характеристики газообразного рабочего тела примеси этих паров практически не оказывают так как, используемые в качестве высокотемпературных теплоносителей жидкости, такие как тетракрезилоксисилан, жидкий натрий, эвтектика натрий-калий и т.д. имеют очень низкие давления насыщенного пара при температурах рабочего процесса компрессора (10…10- мм рт.ст. при Т=400 К), вследствие чего их присутствие в газообразном рабочем теле при давлении в рабочем контуре от 13 кгс/см до 34 кгс/см практически незаметно.
На рисунке представлена схема энергетической установки (фиг. 1) и устройство гидрозатвора (фиг. 2).
В состав энергоустановки входят электрогенератор 1, кинематически связанный с турбокомпрессором 2, на валу которого, между компрессором и турбиной, установлен гидрозатвор 3 в виде двухстороннего импеллера (фиг. 2), источник тепла 4, регенератор тепла 5, теплообменник-холодильник 6, электронасос 7, вход которого сообщен с магистралью подвода жидкого теплоносителя в теплообменник-холодильник 6, а выход через трубопровод 8, включающим отсечной электроклапан 9, с кольцевым каналом "А" на периферии крыльчаток 10, 11, разделенных диском 12 двухстороннего импеллера. Кольцевой канал "А" сообщен трубопроводом 13, включающим дроссельную шайбу 14 и обратный клапан 15, с магистралью отвода жидкого теплоносителя из теплообменника-холодильника 6.
В процессе запуска энергоустановки отсечной электроклапан 8 и обратный клапан 13 закрывают доступ жидкому теплоносителю из контура отвода тепла в рабочий газовый контур энергоустановки. После выхода энергоустановки на установившийся режим работы подается команда на открытие электроклапана 8 и включение электронасоса 7, после чего жидкий теплоноситель отбирается со входа в теплообменник-холодильник 6 и под напором электронасоса 7, создающим давление на выходе, превышающее давление газа в рабочем контуре, поступает по трубопроводу 8 через открытый электроклапан 9 в кольцевой канал "А" на выходе крыльчаток 10, 11, разделенных диском 12 двухстороннего импеллера и заполняет крыльчатки 10, 11, в которых под действием центробежных сил формируются вращающиеся кольцевые слои жидкости "Б" с толщинами, создающими напоры крыльчаток, превышающие давления газа под уровнем слоя жидкости, сформированном в каждой из крыльчаток на величину, уравновешивающую давление жидкости, поступающей в кольцевой канал "А" из электронасоса 7. Образованные на периферии крыльчаток двухстороннего импеллера кольцевые слои жидкости препятствуют перетеканию газа от компрессора к турбине турбокомпрессора выполняя функцию гидрозатвора. Из кольцевого канала "А" жидкий теплоноситель через трубопровод 13 с дроссельной шайбой 14 и обратный клапан 15 поступает в магистраль отвода жидкого теплоносителя из теплообменника-холодильника 6. При этом дроссельная шайба нормирует расход жидкости через кольцевой канал "А", обеспечивая давление в нем, практически равным давлению за электронасосом 7. При протекании жидкости по кольцевому каналу "А" за счет вихреобразования обеспечивается интенсивный массообмен в слое жидкости, заполняющей межлопаточное пространство каждой крыльчатки, что исключает перегревание жидкости и интенсификацию испарения с границы раздела фаз в крыльчатках импеллера.
Таким образом предложенное техническое решение исключает перетечку газа из компрессора в турбину, что исключает указанные выше потери в турбокомпрессоре и энергоустановке в целом, повышая ее коэффициент полезного действия на величину до - 10,6%.