薛 翔，杜 磊，王浩明，張銀勇，林慶國

(上?？臻g推進研究所 上?？臻g發(fā)動機工程技術研究中心，上海 201112)

0 引言

伴隨著人類太空探索的足跡不斷擴展，在越來越多的空間任務中，以化學燃料和太陽能為主的常規(guī)空間動力能源已不能完全滿足任務需求。利用核能實現(xiàn)空間推進的航天器具備高比沖、大推力、長壽命等特點，可以突破化學能推進的極限，同時不受制于太陽光照條件，是面向未來探索太陽系邊界等深空探測任務的重要保障。

基于閉式布雷頓循環(huán)的熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)能夠很好地實現(xiàn)百千瓦至兆瓦級的空間核電推進，其循環(huán)系統(tǒng)主要由核心機(渦輪、壓氣機、電機)、核熱源、換熱器和冷卻器等部件構成。閉式布雷頓循環(huán)核心機的變工況調(diào)節(jié)過程中不同系統(tǒng)參數(shù)都會受到影響，如果調(diào)控策略制定不合理，會嚴重影響整個系統(tǒng)的循環(huán)效率和運行穩(wěn)定性。

國外在該領域的研究起步較早，NASA從20世紀60年代就開始了空間閉式布雷頓循環(huán)的研究，研制了小功率閉式布雷頓循環(huán)核心機(Brayton rotating unit,BRU)。本世紀初美國啟動了木星冰蓋衛(wèi)星軌道器(jupiter icy Moons obiters，JIMO)計劃，文獻[5]介紹俄羅斯也在2009年首次公布兆瓦級核電推進飛船總體設計方案。歐盟也開展了兆瓦級國際空間核電推進飛船(international nuclear power and propulsion system，INPPS)計劃，目前完成了兆瓦級核電推進太空飛船的總體系統(tǒng)設計和地面演示試驗臺搭建。這些本質(zhì)上都是以閉式布雷頓循環(huán)熱電轉(zhuǎn)換為基礎的空間核電推進飛行器。國外研究者針對閉式布雷頓循環(huán)核心機主要進行了地面試驗、系統(tǒng)仿真和循環(huán)參數(shù)優(yōu)化等研究。國內(nèi)的相關研究工作主要集中在閉式布雷頓循環(huán)系統(tǒng)的性能分析、循環(huán)參數(shù)優(yōu)化和核心機中部件的單機試驗研究，對于空間閉式布雷頓循環(huán)核心機動態(tài)調(diào)節(jié)策略與系統(tǒng)參數(shù)反饋的研究還有所欠缺。

本文聚焦空間閉式布雷頓循環(huán)核心機啟動加載過程中的調(diào)控策略問題，擬通過轉(zhuǎn)速和反應堆加熱的協(xié)同控制，在維持核心機空載狀態(tài)下將轉(zhuǎn)速逐漸提高至額定滿轉(zhuǎn)速，隨后再熱加載，輸出電功率，完成核心機啟動升速和加載的全過程。參考JIMO計劃中公布的閉式布雷頓循環(huán)參數(shù)，對壓氣機、渦輪等葉輪機械部件進行設計，通過氣動仿真得到其全工況范圍性能特性。進一步根據(jù)系統(tǒng)總裝布局，建立循環(huán)系統(tǒng)仿真模型，對核心機升速啟動過程中的系統(tǒng)參數(shù)、機組狀態(tài)等特性進行研究，為機組熱試車的調(diào)控策略和初始狀態(tài)參數(shù)選擇提供指導性建議。

1 計算模型

1.1 系統(tǒng)循環(huán)參數(shù)設定

參照JIMO計劃中公布的額定發(fā)電功率為100 kW的閉式布雷頓循環(huán)參數(shù)，考慮到目前渦輪葉片材料的耐溫水平以及輻射散熱器的尺寸質(zhì)量限制，循環(huán)系統(tǒng)的熱端(渦輪入口)和冷端(壓氣機入口)溫度分別定為1 150 K和411 K，循環(huán)系統(tǒng)各處的溫度、壓力參數(shù)如圖1所示，循環(huán)工質(zhì)選用摩爾質(zhì)量為40 g/mol的He/Xe混合氣，氣體工質(zhì)流量為3.5 kg/s，核心機中渦輪、壓氣機和電機采用同軸設計，轉(zhuǎn)速為45 000 r/min。

圖1 JIMO額定發(fā)電功率為100 kW的閉式布雷頓循環(huán)系統(tǒng)參數(shù)

1.2 葉輪機械設計與氣動仿真

空間閉式布雷頓循環(huán)系統(tǒng)受限于空間尺寸和重量，渦輪和壓氣機通常選用單級徑流形式，即向心渦輪和離心壓氣機，并且由于無法匹配體積龐大的變速箱，需要采用同軸設計，這與地面閉式布雷頓發(fā)電系統(tǒng)有所區(qū)別，系統(tǒng)變工況調(diào)節(jié)手段也會有很大差異。

根據(jù)圖1中的系統(tǒng)參數(shù)，以向心渦輪絕熱效率≥89%，離心壓氣機絕熱效率≥83%，綜合喘振裕度≥15%，且壓氣機和渦輪額定轉(zhuǎn)速相互匹配的技術要求對該閉式循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的離心壓氣機和向心渦輪進行了氣動設計，并通過CFD模擬獲得渦輪和壓氣機在全工況范圍下的性能曲線如圖2所示，其中流量和轉(zhuǎn)速均采用與額定狀態(tài)下參數(shù)的相對比例表示。

圖2 葉輪機械全工況范圍性能曲線

1.3 電機模型簡化

考慮到空間閉式布雷頓循環(huán)內(nèi)電機多為啟發(fā)一體式，結構較為復雜，需要考慮轉(zhuǎn)子、靜子、線圈匝數(shù)及具體控制邏輯。為了簡化計算，只考慮電動機/發(fā)電機轉(zhuǎn)速、電壓和扭矩的關系，認為扭矩

Γ

是電壓

U

和轉(zhuǎn)速

ω

的函數(shù)，即

Γ

=

f

(

U

,

ω

)

(1)

借鑒額定發(fā)電功率為100 kW的通用電機參數(shù)表，制定電動機/發(fā)電機在不同轉(zhuǎn)速下電壓和扭矩的關系如圖3所示。當轉(zhuǎn)速和扭矩符號相同時，為電動機模式；當轉(zhuǎn)速和扭矩符號相異時，為發(fā)電機模式。

圖3 啟發(fā)一體式電機的電壓-扭矩線

電機功率

P

和電機機械功率

P

的關系如下

P

=

P

+

Q

(2)

P

=

UI

(3)

P

=

Γω

(4)

(5)

式中：

I

為電動機/發(fā)電機工作電流；

Q

為電動機/發(fā)電機產(chǎn)生的熱量；

η

為電動機/發(fā)電機效率。

1.4 系統(tǒng)仿真模型構建

利用系統(tǒng)仿真軟件AMESim建立整體空間閉式布雷頓循環(huán)系統(tǒng)模型如圖4所示，其中壓氣機和透平利用氣動仿真得到的全工況范圍性能曲線數(shù)據(jù)，電機采用上述簡化模型，反應堆以加熱器模型代替，系統(tǒng)各部分的相對容積按照圖5設置。該系統(tǒng)仿真模型的建立基于整體循環(huán)系統(tǒng)為閉口絕熱系統(tǒng)的假設，并且動態(tài)仿真過程中冷端(壓氣機入口)溫度認為可以通過散熱板冷卻器的控制維持基本不變。

圖4 閉式布雷頓循環(huán)系統(tǒng)模型

圖5 系統(tǒng)容積組成

2 核心機升速啟動過程系統(tǒng)仿真

2.1 過程控制策略描述

以精確轉(zhuǎn)速控制為基礎的核心機啟動和升速加載過程的調(diào)控邏輯如圖6所示，其總體過程主要分為以下四步：

圖6 核心機啟動和升速加載過程控制邏輯

1)核心機在電機驅(qū)動下啟動并快速升速至額定轉(zhuǎn)速的35%，完成轉(zhuǎn)子氣浮軸承的起飛。

2)轉(zhuǎn)子軸承起飛后1 000 s，反應堆處的模擬加熱器啟動并逐漸提高功率，電機在電動機狀態(tài)下的輸入功率逐漸下降；同時，通過電機驅(qū)動器提升電機轉(zhuǎn)速，每間隔300 s升高5 000 r/min，其中反應堆熱功率的升降以電機功耗為判據(jù)(當電機功耗小于設定值時，熱功率不再提高)。

3)電機按照給定電機升速曲線逐漸達到額定轉(zhuǎn)速，整個啟動升速過程保持核心機空載。

4)繼續(xù)提高反應堆熱功率，核心機逐漸輸出電功率，直到達到設計工況。

2.2 系統(tǒng)仿真結果

2.2.1 設計初始充氣壓力狀態(tài)

通過對設計初始狀態(tài)下的核心機實施上述調(diào)控策略升速并加載至額定滿狀態(tài)，從整個過程中系統(tǒng)參數(shù)和組件參數(shù)的變化情況來進一步判定該調(diào)控策略的可行性。JIMO計劃中該方案的初始氣壓力為400 kPa，在該狀態(tài)下，核心機按照上述控制策略先快速啟動并升速至額定轉(zhuǎn)速的35%，轉(zhuǎn)子軸承判定起飛后，開始每穩(wěn)定300 s轉(zhuǎn)速提高500 r/min。在整個啟動升速過程中，控制熱功率的提升，達到輸出功率基本為0(空載)的目的，同時實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定提升。在達到額定轉(zhuǎn)速后，熱功率持續(xù)增加，逐漸達到額定輸出軸功率100 kW，循環(huán)熱效率22.3%，發(fā)電效率20.5%(電機效率按92%計算)。整個過程中系統(tǒng)參數(shù)和組件參數(shù)的變化情況分別如圖7和圖8所示。

圖7 初始壓力為400 kPa核心機升速加載過程中系統(tǒng)參數(shù)變化情況

圖8 初始壓力為400 kPa核心機升速加載過程中組件參數(shù)變化情況

可以看出，在核心機啟動并快速升速至轉(zhuǎn)子軸承起飛轉(zhuǎn)速(35%額定轉(zhuǎn)速)后穩(wěn)定1 000 s，開始啟動反應堆處的模擬加熱器并提高加熱功率，此時循環(huán)工質(zhì)流量、各處壓力、渦輪入口和出口溫度、回熱器回熱度和渦輪絕熱效率都有較為明顯的變化。隨后按照圖6中的核心機升速啟動策略，轉(zhuǎn)速呈階梯狀穩(wěn)步上升，循環(huán)系統(tǒng)工質(zhì)流量隨之上升，反應堆模擬器的加熱功率和冷卻器的散熱量也逐漸提高，回熱度和渦輪效率始終保持在90%左右。在核心機升速加載過程中，壓氣機壓比和渦輪膨脹比逐漸提高，壓氣機效率有所波動，最低低至68%，最終在核心機升速至滿轉(zhuǎn)速時達到80%，根據(jù)圖2(b)中的壓氣機全工況范圍性能曲線可知，在整個過程中壓氣機均處于穩(wěn)定運行區(qū)間。當?shù)?8 750 s(核心機升速至滿轉(zhuǎn)速)后，繼續(xù)加載到額定輸出軸功率為100 kW的滿狀態(tài)，循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)電機開始發(fā)電，開始輸出電功率，并提升至額定功率100 kW，整體循環(huán)效率達到額定值22.3%。其過程中，循環(huán)工質(zhì)流量、壓氣機壓比和渦輪膨脹比進一步提高，最終各系統(tǒng)和組件部分重要參數(shù)的情況如下：

1)反應堆熱功率391.5 kW，工質(zhì)流量3 044 g/s，熱端溫度1 128.2 K。

2)冷卻器散熱量277.4 kW，全過程中維持出口溫度為411 K。

3)壓氣機效率83.8%，渦輪效率91.0%，回熱器回熱度90.3%。

2.2.2 不同相對較低初始壓力狀態(tài)對比

通過系統(tǒng)仿真驗證了該調(diào)控邏輯可以將閉式布雷頓循環(huán)核心機從設計初始狀態(tài)穩(wěn)步提升至額定滿狀態(tài)之后，為了給初期的系統(tǒng)熱試車調(diào)試尋找一個相對較低的合適初始壓力值，降低氣體泄漏的風險，因而又選擇了不同的相對較低初始壓力360 kPa、300 kPa和200 kPa(90%、75%和50%設計初始壓力值)狀態(tài)進行對比。采用該調(diào)控策略進行了同樣流程的系統(tǒng)仿真，核心機升速及加載過程中系統(tǒng)與組件參數(shù)的變化趨勢相似，當核心機達到額定輸出功率為100 kW的滿狀態(tài)時，不同初始壓力狀態(tài)下的循環(huán)系統(tǒng)和組件部分重要參數(shù)如表1所示。

表1 不同初始壓力下滿狀態(tài)下循環(huán)系統(tǒng)和組件部分重要參數(shù)

通過對比可以發(fā)現(xiàn)，當初始壓力較低(即工質(zhì)充填量較小)時，循環(huán)流量較小，回熱需要設置更大的換熱面積，因此回熱度有所上升。在相對較低初始壓力300 kPa和200 kPa(75%和50%設計初始壓力值)狀態(tài)下，當核心機要加載到滿狀態(tài)，渦輪入口溫度會高于設計溫度。尤其在初始壓力為200 kPa的狀態(tài)下，核心機加載到滿狀態(tài)需要循環(huán)系統(tǒng)熱端溫度達到1 410.3 K，遠超渦輪設計溫度，可能會出現(xiàn)渦輪葉片材料超溫損壞的現(xiàn)象，此時渦輪效率也相比其他初始壓力狀態(tài)下有明顯降低。在渦輪葉片不超溫的前提下，通過仿真結果可知，要保證循環(huán)系統(tǒng)熱端溫度不超過1 150 K(渦輪入口溫度設計值)，則該初始壓力條件能夠輸出最大功率為65.8 kW(額定輸出功率的65.8%)，此時反應堆模擬加熱功率為212 kW。在初始壓力為400 kPa的設計狀態(tài)下，核心機升速加載至滿狀態(tài)時渦輪入口溫度可以嚴格控制在設計溫度1 150 K以內(nèi)，出于安全性考慮，此狀態(tài)更適用于核心機要滿狀態(tài)運行的情況。但在早期的低狀態(tài)試車調(diào)試過程中，為了防止試驗中閉式系統(tǒng)密封性出現(xiàn)問題，可以選擇較低的壓力體系(50%設計初始壓力值)，只要控制反應堆加熱功率在212 kW以內(nèi)，渦輪入口溫度就可以保證在設計值以內(nèi)，不會出現(xiàn)超溫現(xiàn)象，核心機通過加載最大可輸出額定電功率的65.8%。

3 結論

在空間閉式布雷頓循環(huán)系統(tǒng)動態(tài)仿真模型的基礎上，制定了以精確轉(zhuǎn)速控制作為運行標準的核心機調(diào)控策略，并對不同初始壓力下的核心機升速加載過程進行了仿真計算。根據(jù)系統(tǒng)仿真結果，得到以下結論：

1)核心機可以通過轉(zhuǎn)速與反應堆加熱情況的協(xié)同調(diào)控策略，在維持核心機空載的狀態(tài)下將其轉(zhuǎn)速逐漸升至額定滿轉(zhuǎn)速，再進一步提高加熱功率進行熱加載至滿狀態(tài)。整個調(diào)控過程中各系統(tǒng)和部件參數(shù)穩(wěn)步趨于設計要求值，壓氣機在整個調(diào)節(jié)過程中始終處于穩(wěn)定運行區(qū)間內(nèi)。

2)在循環(huán)系統(tǒng)初始壓力較低的狀態(tài)下，意味著工質(zhì)充填量較小，循環(huán)流量也相應較小，回熱器需要更大的換熱面積，回熱器的回熱度會有所上升。

3)在循環(huán)系統(tǒng)初始壓力較低的情況下，需要在更高的渦輪入口溫度條件下，才能夠達到與高初始壓力情況下相同的滿狀態(tài)電功率輸出。在核心機要滿狀態(tài)運行的情況下，需要選擇合適的初始壓力，防止渦輪材料出現(xiàn)超溫損壞。

4)相對較低的循環(huán)系統(tǒng)初始壓力可以降低氣體泄漏的風險，在循環(huán)系統(tǒng)調(diào)試初期的低狀態(tài)試車中可以優(yōu)先選擇相對較低的壓力體系，但要通過監(jiān)控核心機渦輪入口溫度來確定反應堆加熱功率和輸出電功率的上限值。