Энергетическая установка с машинным преобразованием энергии
POWER UNIT WITH MACHINE POWER CONVERSION

Изобретение относится к области энергетического машиностроения и может быть использовано в конструкциях космических турбокомпрессорных установках с газообразным рабочим телом, реализующим термодинамический цикл Брайтона.
Эффективность турбокомпрессорной, электрогенераторной установки с газовым теплоносителем, работающей по циклу Брайтона, в значительной мере определяют гидравлические потери в ее рабочем замкнутом контуре, а также потери на трение вращающихся элементов конструкции - роторов турбокомпрессора и электрогенератора с газообразным рабочим телом электроустановки.
2
Для уменьшения гидравлических потерь целесообразно увеличить давление рабочего тела в замкнутом контуре, реализующем Цикл Брайтона: с увеличением давления газа, увеличивается его плотность ρ, уменьшается скорость его течения W в контуре (при постоянном расходе) и, согласно зависимости ΔΡ≈ρ⋅W, уменьшаются потери давления (ΔΡ) в контуре.
Увеличение гидравлических потерь обусловливает также необходимость введения в контур дополнительного гидросопротивления для создания перепада давления на тракте охлаждения ротора (кольцевом зазоре между ротором м статором) электрогенератора.
В известной турбогенераторной установке открытого цикла мощностью 200 кВт, разработанной фирмой «Capstone Turbine Corporation)) патент США №5.497.615 от 12.03.1996 г. необходимый для обеспечения расхода газа (воздуха) 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 рабочего тела (воздуха) через эту полость на вход в компрессор.
Использование такой схемы охлаждения ротора электрогенератора целесообразно лишь при низких потерях мощности на трените ротора и, соответственно, низком тепловыделении (~2 кВт, из которых ~1,3…1,34 кВт приходится на трение), характерном для малонапряженных энергоустановок открытого цикла с давлением в полости электрогенератора ~1 ата, что для космических энергоустановок замкнутого цикла неприемлемо по причине, указанной выше.
Для уменьшения гидравлических потерь в замкнутом контуре космической энергетической установки, реализующем цикл Брайтона, давление в нем должно быть максимально допустимым из условия прочности высокотемпературных элементов конструкции величины (по расчетным оценкам в контуре с температурой до 1500 К его величина не должна превышать~40 ата). В этом случае при оптимальной степени сжатия газообразного рабочего тела термодинамического цикла Брайтона, равной 2,6, давление на входе в компрессор и в сообщенной со входом полости электрогенератора, пристыкованного со стороны входа компрессора, имеет величину ~15 ата; пропорционально давлению увеличиваются потери на трение ротора электрогенератора с газообразным рабочим телом в соответствии с зависимостью.
где Νтр - мощность тепловыделения от трения
Ρ - давление рабочего тела
С - f(Re) коэффициент влияния вязкости рабочего тела
ω - угловая скорость вращения ротора
R -диаметр ротора электрогенератора
- длина ротора электрогенератора
Таким образом при уменьшении гидравлических потерь в контуре за счет повышения давления рабочего тела увеличиваются потери на трение ротора электрогенератора с соответствующим тепловыделением, что требует интенсивного охлаждения ротора за счет прокачки увеличенного расхода газообразного рабочего тела через тракт охлаждения ротора - кольцевую щель между ротором и статором электрогенератора и, следовательно, создания необходимого для этого перепада давления на тракте охлаждения за счет введения дополнительного гидравлического сопротивления в рабочем замкнутом контуре энергоустановки, что приводит к дополнительным потерям давления в нем и снижению к.п.д. термодинамического цикла Брайтона.
Известна энергетическая установка по авторскому свидетельству №2583191 от 11.04.2016 г., принятая за прототип изобретения, в которой эти дополнительные потери давления в рабочем контуре сведены до минимума. В этой космической энергоустановке с замкнутым контуром, включающим источник тепла, регенератор тепла, теплообменник - холодильник системы отвода низкопотенциального тепла на холодильник-излучатель в космическое пространство посредством жидкого теплоносителя, турбокомпрессор, электрогенератор, ротор которого кинематически связан с валом турбокомпрессора со стороны входа рабочего тела в компрессор, а статор выполнен охлаждаемым жидким теплоносителем, 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, а 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. С введением в проточный контур трубы Вентури (вместо дополнительного сопротивления в виде традиционной дроссельной шайбы) уменьшаются (за счет восстановления статического давления в диффузорном канале) потери давления в контуре с созданием при этом перепада давления на тракте охлаждения ротора (между входом в компрессор и горлом трубы Вентури), обеспечивающего необходимый для охлаждения ротора расход газа, а наличие теплообменника в магистрали между полостью электрогенератора и трубой Вентури обеспечивает охлаждение газа, нагретого в тракте охлаждения ротора электрогенератора перед поступлением его в горло трубы Вентури и, далее, на вход в компрессор. Оба фактора: уменьшение потерь давления в контуре и снижение температуры газа уменьшает потребную мощность компрессора, увеличивая при этом выход полезной мощности на электрогенератор и повышение к.п.д. энергоустановки на ~4%.
Однако потери мощности, связанные с трением ротора электрогенератора остаются достаточно высокими: как указано в описании к вышеуказанному патенту они составляют -20 кВт (8% от мощности, передаваемой на вал электрогенератора). Оценка, проведенная на основании представленной выше зависимости применительно к параметрам ротора электрогенератора энергетической установки мощностью 250 кВт, показывают аналогичный результат. При этом к.п.д. энергоустановки по прототипу в целом за счет потерь на трение ротора и затрат мощности компрессора на охлаждение ротора, во избежание его перегрева теплом, выделяющимся от трения (~20 кВт), уменьшается на ~2,7%.
Изобретение направлено на повышение эффективности энергоустановки, ее коэффициента полезного действия за счет уменьшения потерь мощности на трение ротора с газом, поступающим в полость электрогенератора и обеспечивающим отвод тепла, выделяющегося при трении ротора с этим газом. Результат обеспечивается тем, что указанная магистраль с включенным в нее теплообменником сообщена также с полостью электрогенератора со стороны расположения компрессора, образуя замкнутый контур охлаждения ротора электрогенератора, в который включен вентилятор с электроприводом, полость контура сообщена трубопроводом с нормально-закрытым дренажным электроклапаном, а между компрессором и электрогенератором выполнен гидрозатвор в виде 2-х стороннего импеллера с двумя крыльчатками, разделенными диском, общий периферийный кольцевой канал которых сообщен одним трубопроводом, включающим отсечной клапан с выходом электронасоса, вход которого сообщен с магистралью подвода жидкого теплоносителя к теплообменнику-холодильнику, а другим трубопроводом, включающим дроссельную шайбу и обратный клапан, с магистралью отвода жидкого теплоносителя от теплообменника-холодильника.
При таком исполнении энергоустановки обеспечивается разделение полостей электрогенератора и турбокомпрессора и, следовательно, возможность снижения давления в полости электрогенератора и, соответственно, потерь на трение ротора за счет введения гидрозатвора, который работает 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 жидкости, исключающие ее перетечку 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 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 15 кгс/см до 40 кгс/см практически незаметно.
На рисунке представлена схема энергетической установки (фигура 1) и устройство гидрозатвора (фигура 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, магистраль 16, сообщающая полости электрогенератора 1 с 2-х торцевых сторон и образующая вместе с трактом охлаждения ротора замкнутый контур охлаждения электрогенератора 1 газообразным рабочим телом, вентилятор 17 с электроприводом, обеспечивающий расход через этот контур, теплообменник 18 в магистрали 16, использующий в качестве хладагента жидкий теплоноситель, отбираемый со входа в теплообменник-холодильник 6 и сбрасываемый после теплообменника 18 в магистраль на выходе из теплообменника-холодильника 6, нормально-закрытый электроклапан 19 в магистрали дренажа из полости электрогенератора 1, датчик 20 для контроля давления в полости электрогенератора 1.
Перед запуском энергоустановки полости электрогенератора 1 и термокомпрессора 2 сообщены, давления газообразного рабочего тела, заполняющего эти полости, равны; жидкий теплоноситель заполняет тракт охлаждения теплообменника-холодильника 6 и теплообменника 18, при этом электроклапан 9 и обратный клапан 15 закрывают доступ жидкому теплоносителю из контура отвода тепла в гидрозатвор 3. При запуске энергоустановки системой подачи жидкого теплоносителя энергоустановки обеспечивается циркуляция жидкого теплоносителя через тракт охлаждения теплообменника-холодильника 6 и теплообменника 18, и после чего подается команда на включение электропривода вентилятора 17, при работе которого начинается циркуляция газообразного теплоносителя в контуре охлаждения ротора электрогенератора 1, обеспечивая охлаждение ротора, при этом тепло, выделяемое при трении ротора с газом нагревает рабочее тело охлаждения ротора, которое охлаждается в теплообменнике 18 жидким теплоносителем системы отвода тепла.
После выхода энергоустановки на установившийся режим работы подается команда на открытие электроклапана 9 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 со входа в компрессор в электрогенератор, 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 нагревание жидкости и интенсификацию испарения с границы раздела фаз в крыльчатках импеллера.
После заполнения крыльчаток 10, 11 гидрозатвора 3 подается команда на открытие электроклапана 19. Газ, заполняющий полости электрогенератора 1 и контура охлаждения ротора, стравливается в окружающее пространство, давление в полости электрогенератора понижается до заданного уровня, после чего по сигналам датчика 20 выдается команда на закрытие электроклапана 18. В процессе падения давления в полости электрогенератора 1 под воздействием возникшего на гидрозатворе 3 перепада давления жидкость, заполняющая крыльчатку 11 гидрозатвора 3 перетекает через канал А в крыльчатку 10, толщина кольцевого слоя жидкости в крыльчатке 10 увеличивается, напор крыльчатки 10 возрастает до величины, компенсирующей перепад давления, воздействующего на гидрозатвор 3, после чего полость электрогенератора при низком давлении в ней фактически отделена от полостей контура рабочего тела энергоустановки.
Затраты мощности на трение ротора с газом при этом уменьшаются пропорционально давлению газа в полости электрогенератора, соответственно уменьшаются затраты мощности на обеспечение охлаждения ротора электрогенератора.
Расчетная оценка, проведенная применительно к энергоустановке мощностью 250 кВт, использующей в качестве рабочего тела гелий-ксеноновую смесь и - в качестве жидкого теплоносителя системы отвода тепла - жидкий натрий, показывает, что для гарантированного разделения полостей с перепадом давления на гидрозатворе 14 атм при частоте вращения ротора 1000 Гц достаточно высоты лопаток 2-х стороннего импеллера гидрозатвора ~4 мм; при этом давление в полости электрогенератора можно снизить до 1 ата. При таком давлении суммарные затраты мощности на наведенные в роторе токи и трение ротора с газом уменьшаются до 2 кВт вместо 20 кВт по прототипу, а затраты электрической мощности, связанные с охлаждением ротора, составляют ~1 кВт вместо 7 кВт по прототипу.
Таким образом выход полезной электрической мощности энергоустановки увеличивается на 24 кВт (на ~9,6%), а к.п.д. энергоустановки увеличивается на 2,4%.