闭式布雷顿循环核心机调控过程仿真分析

2021-11-03王浩明张银勇林庆国

火箭推进 2021年5期

薛翔，杜磊，王浩明，张银勇，林庆国

(上海空间推进研究所上海空间发动机工程技术研究中心，上海 201112)

0 引言

伴随着人类太空探索的足迹不断扩展，在越来越多的空间任务中，以化学燃料和太阳能为主的常规空间动力能源已不能完全满足任务需求。利用核能实现空间推进的航天器具备高比冲、大推力、长寿命等特点，可以突破化学能推进的极限，同时不受制于太阳光照条件，是面向未来探索太阳系边界等深空探测任务的重要保障。

基于闭式布雷顿循环的热电转换系统能够很好地实现百千瓦至兆瓦级的空间核电推进，其循环系统主要由核心机(涡轮、压气机、电机)、核热源、换热器和冷却器等部件构成。闭式布雷顿循环核心机的变工况调节过程中不同系统参数都会受到影响，如果调控策略制定不合理，会严重影响整个系统的循环效率和运行稳定性。

国外在该领域的研究起步较早，NASA从20世纪60年代就开始了空间闭式布雷顿循环的研究，研制了小功率闭式布雷顿循环核心机(Brayton rotating unit,BRU)。本世纪初美国启动了木星冰盖卫星轨道器(jupiter icy Moons obiters，JIMO)计划，文献[5]介绍俄罗斯也在2009年首次公布兆瓦级核电推进飞船总体设计方案。欧盟也开展了兆瓦级国际空间核电推进飞船(international nuclear power and propulsion system，INPPS)计划，目前完成了兆瓦级核电推进太空飞船的总体系统设计和地面演示试验台搭建。这些本质上都是以闭式布雷顿循环热电转换为基础的空间核电推进飞行器。国外研究者针对闭式布雷顿循环核心机主要进行了地面试验、系统仿真和循环参数优化等研究。国内的相关研究工作主要集中在闭式布雷顿循环系统的性能分析、循环参数优化和核心机中部件的单机试验研究，对于空间闭式布雷顿循环核心机动态调节策略与系统参数反馈的研究还有所欠缺。

本文聚焦空间闭式布雷顿循环核心机启动加载过程中的调控策略问题，拟通过转速和反应堆加热的协同控制，在维持核心机空载状态下将转速逐渐提高至额定满转速，随后再热加载，输出电功率，完成核心机启动升速和加载的全过程。参考JIMO计划中公布的闭式布雷顿循环参数，对压气机、涡轮等叶轮机械部件进行设计，通过气动仿真得到其全工况范围性能特性。进一步根据系统总装布局，建立循环系统仿真模型，对核心机升速启动过程中的系统参数、机组状态等特性进行研究，为机组热试车的调控策略和初始状态参数选择提供指导性建议。

1 计算模型

1.1 系统循环参数设定

参照JIMO计划中公布的额定发电功率为100 kW的闭式布雷顿循环参数，考虑到目前涡轮叶片材料的耐温水平以及辐射散热器的尺寸质量限制，循环系统的热端(涡轮入口)和冷端(压气机入口)温度分别定为1 150 K和411 K，循环系统各处的温度、压力参数如图1所示，循环工质选用摩尔质量为40 g/mol的He/Xe混合气，气体工质流量为3.5 kg/s，核心机中涡轮、压气机和电机采用同轴设计，转速为45 000 r/min。

图1 JIMO额定发电功率为100 kW的闭式布雷顿循环系统参数

1.2 叶轮机械设计与气动仿真

空间闭式布雷顿循环系统受限于空间尺寸和重量，涡轮和压气机通常选用单级径流形式，即向心涡轮和离心压气机，并且由于无法匹配体积庞大的变速箱，需要采用同轴设计，这与地面闭式布雷顿发电系统有所区别，系统变工况调节手段也会有很大差异。

根据图1中的系统参数，以向心涡轮绝热效率≥89%，离心压气机绝热效率≥83%，综合喘振裕度≥15%，且压气机和涡轮额定转速相互匹配的技术要求对该闭式循环系统内的离心压气机和向心涡轮进行了气动设计，并通过CFD模拟获得涡轮和压气机在全工况范围下的性能曲线如图2所示，其中流量和转速均采用与额定状态下参数的相对比例表示。

图2 叶轮机械全工况范围性能曲线

1.3 电机模型简化

考虑到空间闭式布雷顿循环内电机多为启发一体式，结构较为复杂，需要考虑转子、静子、线圈匝数及具体控制逻辑。为了简化计算，只考虑电动机/发电机转速、电压和扭矩的关系，认为扭矩

是电压

和转速

的函数，即

(

)

(1)

借鉴额定发电功率为100 kW的通用电机参数表，制定电动机/发电机在不同转速下电压和扭矩的关系如图3所示。当转速和扭矩符号相同时，为电动机模式；当转速和扭矩符号相异时，为发电机模式。

图3 启发一体式电机的电压-扭矩线

电机功率

和电机机械功率

的关系如下

(2)

(3)

Γω

(4)

(5)

式中：

为电动机/发电机工作电流；

为电动机/发电机产生的热量；

为电动机/发电机效率。

1.4 系统仿真模型构建

利用系统仿真软件AMESim建立整体空间闭式布雷顿循环系统模型如图4所示，其中压气机和透平利用气动仿真得到的全工况范围性能曲线数据，电机采用上述简化模型，反应堆以加热器模型代替，系统各部分的相对容积按照图5设置。该系统仿真模型的建立基于整体循环系统为闭口绝热系统的假设，并且动态仿真过程中冷端(压气机入口)温度认为可以通过散热板冷却器的控制维持基本不变。

图4 闭式布雷顿循环系统模型

图5 系统容积组成

2 核心机升速启动过程系统仿真

2.1 过程控制策略描述

以精确转速控制为基础的核心机启动和升速加载过程的调控逻辑如图6所示，其总体过程主要分为以下四步：

图6 核心机启动和升速加载过程控制逻辑

1)核心机在电机驱动下启动并快速升速至额定转速的35%，完成转子气浮轴承的起飞。

2)转子轴承起飞后1 000 s，反应堆处的模拟加热器启动并逐渐提高功率，电机在电动机状态下的输入功率逐渐下降；同时，通过电机驱动器提升电机转速，每间隔300 s升高5 000 r/min，其中反应堆热功率的升降以电机功耗为判据(当电机功耗小于设定值时，热功率不再提高)。

3)电机按照给定电机升速曲线逐渐达到额定转速，整个启动升速过程保持核心机空载。

4)继续提高反应堆热功率，核心机逐渐输出电功率，直到达到设计工况。

2.2 系统仿真结果

2.2.1 设计初始充气压力状态

通过对设计初始状态下的核心机实施上述调控策略升速并加载至额定满状态，从整个过程中系统参数和组件参数的变化情况来进一步判定该调控策略的可行性。JIMO计划中该方案的初始气压力为400 kPa，在该状态下，核心机按照上述控制策略先快速启动并升速至额定转速的35%，转子轴承判定起飞后，开始每稳定300 s转速提高500 r/min。在整个启动升速过程中，控制热功率的提升，达到输出功率基本为0(空载)的目的，同时实现转速的稳定提升。在达到额定转速后，热功率持续增加，逐渐达到额定输出轴功率100 kW，循环热效率22.3%，发电效率20.5%(电机效率按92%计算)。整个过程中系统参数和组件参数的变化情况分别如图7和图8所示。

图7 初始压力为400 kPa核心机升速加载过程中系统参数变化情况

图8 初始压力为400 kPa核心机升速加载过程中组件参数变化情况

可以看出，在核心机启动并快速升速至转子轴承起飞转速(35%额定转速)后稳定1 000 s，开始启动反应堆处的模拟加热器并提高加热功率，此时循环工质流量、各处压力、涡轮入口和出口温度、回热器回热度和涡轮绝热效率都有较为明显的变化。随后按照图6中的核心机升速启动策略，转速呈阶梯状稳步上升，循环系统工质流量随之上升，反应堆模拟器的加热功率和冷却器的散热量也逐渐提高，回热度和涡轮效率始终保持在90%左右。在核心机升速加载过程中，压气机压比和涡轮膨胀比逐渐提高，压气机效率有所波动，最低低至68%，最终在核心机升速至满转速时达到80%，根据图2(b)中的压气机全工况范围性能曲线可知，在整个过程中压气机均处于稳定运行区间。当第18 750 s(核心机升速至满转速)后，继续加载到额定输出轴功率为100 kW的满状态，循环系统内电机开始发电，开始输出电功率，并提升至额定功率100 kW，整体循环效率达到额定值22.3%。其过程中，循环工质流量、压气机压比和涡轮膨胀比进一步提高，最终各系统和组件部分重要参数的情况如下：

1)反应堆热功率391.5 kW，工质流量3 044 g/s，热端温度1 128.2 K。

2)冷却器散热量277.4 kW，全过程中维持出口温度为411 K。

3)压气机效率83.8%，涡轮效率91.0%，回热器回热度90.3%。

2.2.2 不同相对较低初始压力状态对比

通过系统仿真验证了该调控逻辑可以将闭式布雷顿循环核心机从设计初始状态稳步提升至额定满状态之后，为了给初期的系统热试车调试寻找一个相对较低的合适初始压力值，降低气体泄漏的风险，因而又选择了不同的相对较低初始压力360 kPa、300 kPa和200 kPa(90%、75%和50%设计初始压力值)状态进行对比。采用该调控策略进行了同样流程的系统仿真，核心机升速及加载过程中系统与组件参数的变化趋势相似，当核心机达到额定输出功率为100 kW的满状态时，不同初始压力状态下的循环系统和组件部分重要参数如表1所示。

表1 不同初始压力下满状态下循环系统和组件部分重要参数

通过对比可以发现，当初始压力较低(即工质充填量较小)时，循环流量较小，回热需要设置更大的换热面积，因此回热度有所上升。在相对较低初始压力300 kPa和200 kPa(75%和50%设计初始压力值)状态下，当核心机要加载到满状态，涡轮入口温度会高于设计温度。尤其在初始压力为200 kPa的状态下，核心机加载到满状态需要循环系统热端温度达到1 410.3 K，远超涡轮设计温度，可能会出现涡轮叶片材料超温损坏的现象，此时涡轮效率也相比其他初始压力状态下有明显降低。在涡轮叶片不超温的前提下，通过仿真结果可知，要保证循环系统热端温度不超过1 150 K(涡轮入口温度设计值)，则该初始压力条件能够输出最大功率为65.8 kW(额定输出功率的65.8%)，此时反应堆模拟加热功率为212 kW。在初始压力为400 kPa的设计状态下，核心机升速加载至满状态时涡轮入口温度可以严格控制在设计温度1 150 K以内，出于安全性考虑，此状态更适用于核心机要满状态运行的情况。但在早期的低状态试车调试过程中，为了防止试验中闭式系统密封性出现问题，可以选择较低的压力体系(50%设计初始压力值)，只要控制反应堆加热功率在212 kW以内，涡轮入口温度就可以保证在设计值以内，不会出现超温现象，核心机通过加载最大可输出额定电功率的65.8%。