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 с газообразным рабочим телом, реализующим замкнутый термодинамический цикл (цикл Брайтона).
Эффективность турбокомпрессорной электрогенераторной установки с газовым теплоносителем, работающей по циклу Брайтона, наряду с коэффициентами полезного действия (КПД) турбокомпрессора и электрогенератора, в значительной мере определяет гидравлические потери в ее рабочем контуре, в котором реализуется термодинамический цикл. К таким потерям, в частности, относятся потери давления, связанные с необходимостью охлаждения ротора электрогенератора единственно пригодным для этой цели охладителем - газообразным рабочим телом контура. Для этого тракт охлаждения ротора - кольцевой канал между ротором и статором в полости электрогенератора, должен быть включен в рабочий контур на входе в компрессор, где температура газообразного рабочего тела имеет минимальное значение, что и обеспечивает возможность его использования в качестве охладителя ротора (для охлаждения неподвижного элемента электрогенератора - статора, возможно и целесообразно использовать жидкий теплоноситель системы отвода низкопотенциального тепла из рабочего контура, посредством которого обеспечивается замыкание термодинамического цикла Брайтона). При этом для обеспечения потока рабочего тела через указанный кольцевой канал - тракт охлаждения ротора необходимо создать на нем необходимый перепад давления.
Известна турбогенераторная установка открытого цикла мощностью 200 кВт, разработанная фирмой "Capstone Turbine Corporation", патент США №5.497.615 от 12.03.1996 г., где охлаждение ротора и статора электрогенератора осуществляется газообразным рабочим телом (воздухом), поступающим на вход в компрессор, соответственно, через кольцевой зазор между ротором и статором и через полость кожуха, расположенного вокруг электрогенератора, а необходимый для обеспечения расхода газа через кольцевой зазор - тракт охлаждения ротора перепад давления на этом тракте создается за счет разности давлений, возникающей вследствие гидросопротивления тракта охлаждения статора в проточной полости кожуха при подводе основного расхода рабочего тела через эту полость на вход в компрессор.
Использование такой гидравлической схемы охлаждения ротора электрогенератора, целесообразно лишь при относительно малых потребных расходах газообразного рабочего тела охлаждения и, следовательно, небольших потребных перепадах давления на тракте охлаждения ротора, характерных для малонапряженных энергоустановок открытого цикла с давлением в полости электрогенератора ~1 атм и, соответственно, низкими потерями мощности на трение ротора (до ~2 кВт), к которым энергоустановки космического назначения не относятся.
Известна принятая за прототип изобретения космическая энергетическая установка с машинным преобразователем энергии в замкнутом контуре и газообразным рабочим телом, реализующим термодинамический цикл Брайтона, в состав которой входят источник тепла, теплообменник-рекуператор, теплообменник-холодильник для отвода низкопотенциального тепла из газообразного рабочего тела контура посредством жидкого теплоносителя на холодильник-излучатель тепла в космическое пространство, турбокомпрессор, кинематически связанный с валом ротора электрогенератора со стороны подвода газообразного рабочего тела контура в компрессор (патент РФ №2508460 от 27.02.2014 г.).
В данной энергоустановке, как указано ранее, возможно и целесообразно использовать широко распространенное решение - охлаждение статора электрогенератора жидким теплоносителем, а охлаждение ротора, как в указанном выше случае, возможно лишь посредством газообразного рабочего тела контура по гидравлической схеме аналога, которая, применительно к прототипу, характеризуется радиальным, а не осевым подводом рабочего тела на вход в компрессор посредством трубопровода (а не кожуха), с подачей лишь части расхода рабочего тела, предназначенного для охлаждения ротора в полость электрогенератора по отдельному трубопроводу; и при этом, как и у аналога, создание необходимого для прокачки газообразного рабочего тела через кольцевой зазор - тракта охлаждения ротора перепада давления обеспечивается за счет гидросопротивления магистрали подачи основного расхода рабочего тела на вход компрессора.
Однако применительно к электрогенератору турбокомпрессорной установки космического назначения, реализующей замкнутый термодинамический цикл Брайтона, конструкция которой в отличие от наземных аналогов должна обеспечивать максимально высокие удельные характеристики, например, такие как максимальный энергосъем с единицы массы, предъявляются соответствующие требования, такие как максимальная угловая скорость вращения ротора электрогенератора, минимальный зазор между ротором и статором, высокое давление рабочего тела на входе в компрессор и, следовательно, сообщенной со входом полости электрогенератора, а также высокая температура рабочего тела на входе в компрессор энергоустановки, необходимая для минимизации размеров и массы холодильника-излучателя системы отвода низкопотенциального тепла энергоустановки. В этих условиях указанное техническое решение связано со значительными дополнительными затратами мощности турбокомпрессора, связанными с созданием необходимого перепада давления на тракте охлаждения ротора электрогенератора, а также потерями мощности турбокомпрессора, передаваемой на вал электрогенератора, в связи с увеличением потребной мощности компрессора из за повышения температуры рабочего тела на входе в компрессор за счет теплосъема с ротора, что в итоге приводит к существенному уменьшению коэффициента полезного действия энергоустановки.
2
2
2
2
Так, расчетная оценка показывает, что для охлаждения ротора с диаметром 80 мм и длиной 354 мм, входящего в состав электрогенератора мощностью 250 кВт, с кольцевым зазором между ротором и статором -1,5 мм, в котором за счет трения вращающегося при 60000 об/мин ротора с газообразным рабочим телом - аргоном (или гелий-ксеноновой смесью) при давлении 15 кгс/см и температуре - 400 К (параметры рабочего тела на входе в компрессор энергоустановки) выделяются 20 кВт тепла, требуется расход рабочего тела через кольцевой зазор (он же - тракт охлаждения ротора) - 0,5 кг/с при суммарном расходе рабочего тела через компрессор -4,5 кг/с. Указанный расход через тракт охлаждения ротора исключает его нагрев сверх допустимой температуры - 503 К (230°C). Для обеспечения такого расхода рабочего тела через тракт охлаждения ротора требуется создание на нем перепада давления ~2 кгс/см за счет повышения давления рабочего тела на входе в тракт с 15 кгс/см до 17 кгс/см, что требует соответствующего повышения давления в магистрали между теплообменником-холодильником и входом в компрессор, соответственного увеличения степени сжатия компрессора с дополнительными затратами мощности на его привод ~34 кВт и, следовательно, уменьшением на эту величину полезной электрической мощности энергоустановки. При этом температура рабочего тела охлаждения ротора за счет теплосъема в тракте охлаждения ротора повышается на ~86°C, вследствие чего, при смешивании его с рабочим телом, поступающим из рабочего контура установки непосредственно на вход в компрессор, температура рабочего тела на входе в рабочее колесо компрессора повышается с 400К до 409К, что увеличивает потребную мощность компрессора еще на 13 кВт, соответственно уменьшается полезная мощность, передаваемая электрогенератору. Таким образом, кроме прямых потерь полезной мощности на валу электрогенератора, связанных с трением ротора, суммарные потери полезной мощности, обусловленные его охлаждением, составляют 47 кВт, что снижает коэффициент полезного действия энергоустановки с 25% до ~20,3%.
Предлагаемое изобретение направлено на уменьшение потерь полезной мощности энергоустановки, связанных с охлаждением ротора электрогенератора и повышение ее коэффициента полезного действия.
Результат обеспечивается тем, что в космической энергетической установке с машинным преобразователем энергии, в замкнутом контуре с газообразным рабочим телом, реализующем термодинамический цикл Брайтона, в состав которой входят источник тепла, теплообменник-рекуператор, теплообменник-холодильник, системы отвода низкопотенциального тепла из контура посредством жидкого теплоносителя на холодильник-излучатель тепла в космическое пространство, турбокомпрессор, электрогенератор, ротор которого кинематически связан с валом компрессора со стороны входа рабочего тела в компрессор, а статор выполнен охлаждаемым жидким теплоносителем, и трубопроводы, образующие замкнутый контур, часть трубопровода между компрессором и теплообменником-холодильником выполнена как дозвуковой эжектор на основе трубы Вентури с кольцевым каналом подвода пассивного рабочего тела в зону ее критического сечения, кольцевой канал через коллектор сообщен с полостью электрогенератора со стороны, противоположной расположению компрессора, магистралью с включенным в нее теплообменником, использующим в качестве хладагента жидкий теплоноситель системы отвода тепла, поступающий из холодильника-излучателя установки.
2
2
При таком исполнении конструкции необходимый для обеспечения расхода через тракт охлаждения ротора электрогенератора перепад давления на этом тракте создается за счет снижения статического давления при течении газообразного рабочего тела контура через трубу Вентури до минимального значения в зоне ее критического сечения на конфузорной части трубы Вентури с последующим его восстановлением на диффузорной части перед входом в компрессор; при этом разность статических давлений на выходе из трубы Вентури (на входе в компрессор) и в зоне критического сечения соответствует перепаду давления на магистрали, включающей тракт охлаждения ротора электрогенератора, трубопровод с теплообменником и тракт подвода пассивного рабочего тела в эжектор, поступившего из полости электрогенератора после охлаждения ротора. Перепад давления на этой магистрали, практически равный перепаду давления на тракте охлаждения ротора, обеспечивает расход газообразного рабочего тела с входа в компрессор через тракт охлаждения ротора электрогенератора и, далее, через магистраль с теплообменником и кольцевой коллектор в зону минимального давления трубы Вентури. При этом в теплообменнике осуществляется охлаждение нагретого в электрогенераторе газообразного рабочего тела практически до температуры жидкого теплоносителя системы отвода тепла, вследствие чего исключается повышение температуры рабочего тела на входе в компрессор за счет теплосъема с ротора электрогенератора и дополнительного подогрева за счет увеличения степени сжатия компрессора, соответственно, уменьшается потребная мощность компрессора. Кроме того, мощность компрессора уменьшается вследствие уменьшения его дополнительного напора (степени сжатия), потребного для создания перепада давления на тракте охлаждения ротора, в связи с уменьшением потерь давления в рабочем контуре (вместо необратимых потерь давления на гидросопротивление в прототипе - снижение давления с последующим восстановлением в трубе Вентури за исключением незначительных потерь при массообмене и течении рабочего тела в трубе Вентури, что в ~5 раз меньше, чем потери в прототипе изобретения). В итоге два вышеуказанных фактора, обуславливающих уменьшение потребной мощности компрессора, обеспечивают увеличение на соответствующую величину выход полезной энергии энергоустановки. Расчетная оценка показывает, что за счет снижения температуры газообразного рабочего тела на входе в компрессор с 410К (прототип) до 400К (предлагаемое изобретение) посредством теплообменника и уменьшения потребного давления на выходе компрессора с 42 кгс/см (прототип) до 40,4 кгс/см (предлагаемое изобретение) за счет использования трубы Вентури (при равных перепадах давления на тракте охлаждения ротора электрогенератора), выход полезной мощности электрогенератора, увеличивается на 40 кВт по сравнению с прототипом, (потери составляют ~7 кВт); соответственно коэффициент полезного действия энергоустановки уменьшается с 25% до 24,3%, то есть коэффициент полезного действия энергоустановки повышается по сравнению с прототипом на ~4%.
На рисунке представлена принципиальная схема предлагаемой космической энергетической установки (Фиг. 1) и выносной элемент (Фиг. 2).
В состав энергоустановки входят электрогенератор, включающий статор 1, охлаждаемый жидким теплоносителем системы отвода тепла на холодильник-излучатель, и ротор 2, турбокомпрессор, кинематически связанный с ротором 2 электрогенератора, включающий компрессор 3, теплообменник-рекуператор 4, источник тепла 5, теплообменник-холодильник 6 системы отвода тепла, трубопроводы рабочего контура 7 и системы отвода тепла 8. Часть трубопровода 7 подвода газообразного рабочего тела в компрессор 3 выполнена в виде дозвукового эжектора 9 на основе трубы Вентури с кольцевым коллектором 10, сообщенным через теплообменник 11 трубопроводом 12 с полостью электрогенератора. Коллектор 10 сообщен с кольцевым каналом А выхода пассивного рабочего тела эжектора 9 в зону критического сечения трубы Вентури. Относительно статора 1 ротор 2 электрогенератора установлен с кольцевым зазором Б - который является трактом охлаждения ротора 2. Подвод охлажденного жидкого теплоносителя из холодильника-излучателя в рубашку охлаждения статора и далее на теплообменник-холодильник 6 в энергоустановке обеспечивается через трубопроводы 8, отвод нагретого жидкого теплоносителя в холодильник-излучатель обеспечивается по трубопроводам 14.
При работе энергетической установки рабочее тело контура из теплообменника-холодильника 6 поступает по трубопроводу 7 в эжектор 9, выполненный на основе трубы Вентури, в качестве активного рабочего тела эжектора. В конфузорной части трубы Вентури (до критического сечения) скорость течения рабочего тела увеличивается, а статическое давление его падает, достигая минимального значения в критическом сечении (горле) трубы. При течении через диффузорную часть трубы Вентури скорость рабочего тела уменьшается, статическое давление повышается до уровня давления на входе в трубу Вентури за вычетом потерь, обусловленных обменом количества движения пассивного и активного рабочих тел в эжекторе 9, а также гидравлическими потерями в канале трубы Вентури. Из трубы Вентури рабочее тело поступает на вход в компрессор 3 турбокомпрессора, откуда, под действием перепада давления, образованного при течении в трубе Вентури, поступает в кольцевой зазор Б между ротором 2 и статором 1 - тракт охлаждения ротора 2 электрогенератора и, далее, через полость электрогенератора на выходе тракта охлаждения Б ротора 2 в трубопровод 12 с теплообменником 11, где охлаждается, после чего поступает в коллектор 10 эжектора 9 и через кольцевой канал А истекает в качестве пассивного рабочего тела эжектора 9 в зону низкого давления канала трубы Вентури - на входе в ее диффузорную часть, где смешивается с активным рабочим телом эжектора 9, поступающим из теплообменника-холодильника 6, - основным расходом газообразного рабочего тела контура. После смешивания газообразное рабочее тело поступает в диффузорную часть канала эжектора 9 - трубы Вентури. Статическое давление его восстанавливается до уровня давления входа в конфузорную часть трубы Вентури за вычетом потерь в канале эжектора 9.
Использование изобретения повышает КПД установки за счет уменьшения потерь полезной мощности, связанных с охлаждением ротора электрогенератора.