空间动力装置用内可逆Brayton循环功率优化

应用有限时间热力学理论,建立了空间动力装置用内可逆闭式Brayton循环模型,导出了功率和热效率的表达式。采用数值计算的方法,首先在给定高温侧和中间侧换热器有效度的情况下,分析了循环各参数对功率最优性能的影响;然后在给定整个装置3个换热器的总热导率情况下,将功率作为优化目标,对换热器热导率分配进行了优化,得到了循环的最大功率,进一步优化低温热源温度,得到了二次功率最大值,分析了循环各参数对最大功率最优性能的影响。结果表明:存在一个最佳的低温热源温度和一对最佳的热导率分配,使二次功率达到最大;随着高温热源温度的增加,最大二次功率对应的最佳低温热源和最佳热导率增加;随着空间环境温度的减小和换热器总热导率的增加,最大二次功率对应的最佳低温热源和最佳热导率都减少。所得结果对实际空间动力装置的设计优化有一定指导作用。

闭式Brayton循环的太阳能热动力空间发电技术

对闭式Brayton循环太阳能热动力系统在空间站的应用研究作了综述,着重讨论了该循环的发电原理和主要能量转换模块——涡轮发电机-压缩机,目前国际研究达到了循环效率超过30％、系统总效率超过17％的水平,与光伏电池系统相比,SD系统具有高效率,质量轻,费用少,寿命长等特点。为提高系统的效率和减少空间环境的腐蚀,对聚能器表面和辐射散热器表面均需进行保护涂层处理。文章介绍了国际上这方面的研究成果。

空间站闭式Brayton循环及我国在相关方面的研究

对闭式Brayton循环太阳能热动力系统的组成 ,发电原理及循环工质如何选择进行了论述 ,着重讨论了该循环主要的能量转换模块———涡轮发电机 压缩机。与光伏电池相比 ,太阳能热动力系统具有效率高 ,质量轻 ,费用少 ,寿命长等特点。我国对闭式Brayton循环做过大量的研究 ,积累了丰富的经验 。

内可逆闭式Brayton循环多目标优化

基于已有文献建立了恒温热源内可逆闭式Brayton循环模型,应用有限时间热力学理论和精英非支配排序遗传(NSGA-Ⅱ)算法,对循环进行热力学分析和多目标优化。以换热器热导率分配和循环压比为优化变量,同时对循环的无因次功率、热效率、无因次生态学函数和无因次功率密度等四个目标进行多目标优化,分析了四目标优化时,最优热导率分配和循环最优压比对四目标特性的影响。在不同优化目标组合的情况下,通过比较LINMAP、TOPSIS和Shannon Entropy三种决策方式的偏差指数,得到了最理想的设计方案。研究成果可为新型燃气轮机的优化设计提供参考。

空间站太阳能光伏和热动力电源系统的比较

针对我国未来空间站的建设,对目前可行的电源系统的技术特性做了分析比较。太阳光伏电池技术成熟,有应用经验,但其效率低,面积大,寿命不够理想,后期运行费用很高。太阳能热动力系统利用相变材料蓄热来满足阴影期循环的连续发电要求,具有效率高、结构紧凑、寿命长、质量轻、可靠性好等优点,长期运行的费用低,是一种先进的太阳能电源方案,其中闭式Brayton循环系统总效率可达到17%,在技术上比Stirling循环成熟,是最有可能近期实现的电源。闭式Brayton循环可以作为空间站太阳能电源系统的首选技术方案。

空间核反应堆电源闭式Brayton循环热力学分析

空间核反应堆电源闭式Brayton循环一般采用氦-氙混合气体作为循环工质和反应堆冷却剂,设计者为选择合适的循环工质,需研究氦-氙混合气体配比成分变化对循环效率的影响。该文建立空间核反应堆电源闭式Brayton循环热力学模型,采用Fortran 95编程对其进行热力学分析,从绝热系数、回热器回热度、相对压损系数的变化分析了氦-氙混合气体摩尔质量变化对循环效率的影响。结果表明：绝热系数对循环效率的影响较小;回热器回热度越大,循环效率越高;相对压损系数越大,循环效率越低。由于氦-氙混合气体摩尔质量的增加,会降低空间Brayton循环压气机和透平级数,因此选择使回热器回热度达到最大时的配比成分He-8.6%Xe作为循环工质,在给定循环冷/热端温度为403K/1 300K的条件下,可以获得29.18%的循环效率。

空间堆闭式Brayton循环回热器传热-阻力耦合特性

空间堆Brayton循环动力系统具有能量密度高、寿命长、运行稳定等优点,能满足未来大功率航天器的电力需求。回热器通过回收涡轮排气废热减小堆芯吸热量,是提高闭式Brayton循环性能的关键设备。该文基于Reynolds比拟理论,建立回热器传热和压损关联的空间Brayton循环热力学模型,分析了回热度对循环性能和关键参数的影响,并优化得到了循环最佳方案。结果表明:回热器传热和压损存在内在联系,压损随回热度的增大而增大。当回热度较低时,循环电效率随回热度单调增加;当回热度增加至接近1,压损增加导致涡轮膨胀比下降。闭式Brayton循环电效率先增加后减小,存在最佳回热度0.9548和最大循环电效率30.23%。分析了温比、压比、氦氙工质组分等参数对系统最佳回热度的影响机理。以循环电效率和比功为目标,优化得到循环的理论边界,最佳电效率方案电效率为32.92%,最佳比功方案比功为65.78kJ·kg^(-1)。

空间堆Brayton系统旁路阀功率快速调节特性

长寿命、高能量密度和高效率的动力系统是实现未来太空探索目标的必要条件,空间反应堆耦合Brayton系统是兆瓦级空间动力系统的最佳选择之一。功率控制特性是满足系统安全高效运行的关键。该文建立了空间堆Brayton系统动态模型,研究了旁路阀控制下系统的升、降功率特性。结果发现:当载荷变化时,旁路阀控制可快速改变系统局部流量;叶轮机械工况、涡轮和压气机功率及系统电功率能快速响应空间设备的用电需求和负载变化作出相应改变;同时,系统载荷变化导致转动部件对轴的扭矩失衡,容易出现超速事故,旁路控制降低涡轮的输出功率,可有效避免转轴超速的风险。在此基础上,研究了旁路阀开度的敏感性影响,结果发现:系统低压侧和辐射散热回路对旁路阀控制引起的参数扰动最为敏感。旁路阀开度增加后,压气机出口高压气体与涡轮出口低压气体混合,使低压侧管道和部件压力升高;辐射器散热功率增加导致散热回路温度升高,因而辐射器需要更大的散热能力。本研究为空间堆Brayton系统的安全稳定运行提供了参考。

空间站太阳能热动力系统和光伏电池的比较

文章对空间站太阳能热动力系统和光伏电池系统进行了分析比较 ,重点介绍了闭式Brayton循环的组成及其工作原理。太阳光伏电池技术成熟 ,有应用经验 ,但其效率低 ,面积大 ,后期运行费用很高。太阳能热动力系统具有高效率 ,紧凑和可靠性好等优点 ,长期运行的费用低 ,是一种先进的太阳能电源方案 。