超临界二氧化碳闭式布雷顿循环压缩机升速过程实验和模拟

为探究超临界二氧化碳闭式布雷顿循环稳定的压缩机启动控制方案和压缩机单独运行时的系统特性,该文依托MW级实验机组开展压缩机升速实验和对应的动态仿真。结果表明:压缩机的工作特性变化,引起压缩机入口状态发生超临界态到气态的相互转变。阀门切换还造成压缩机处于不稳定工况。分析系统各部分参数非均衡响应特性,由模拟结果可知,阀门切换后80s内压缩机处于正向流动减弱阶段,此后889s内为逆压波动阶段,出口负压差先增大后降低,最终恢复正向流动,模拟结果与实验基本一致。其中开启压缩机旁路阀后,各部分压力和CO_(2)存量变化分别小于2.3%和3.6%。因此,开启压缩机旁路阀和单独采用膨胀机旁路阀调压,可有效避免压缩机出口出现大幅度压力变化,利于压缩机稳定升速启动。

内可逆闭式布雷顿循环的功率密度优化

以功率密度——循环输出功率与最大比容之比——作为优化目标。用有限时间热力学方法 ,对恒温热源条件下内可逆闭式燃气轮机循环的高、低温侧换热器的热导率分配进行了优化。由数值算例给出了循环的一些主要特征参数对热导率最优分配和最大功率密度的影响 ,以及功率密度最大时的最佳热导率分配与最佳压比之间的对应关系。

不可逆闭式布雷顿循环有限时间热力学性能的解析公式

在作者原先工作的基础上，导出恒温和变温热源条件下不可逆闭式布雷顿循环的功率输出、热效率与压比间的解析公式，由此可导出最大功率和最大效率对应的最佳压比，及在一定压比下获得最佳功率和效率的热导率最佳分配和工质与热源间热容率的最佳匹配．

闭式布雷顿循环发电系统热力过程建模及其参数影响研究

针对闭式布雷顿循环发电系统热力循环过程及其参数影响,开展系统的热力过程参数建模研究,建立系统发电功率、比功率和效率的计算模型;在此基础上,研究闭式布雷顿循环发电系统比功率和效率随涡轮入口总温及效率、压气机入口总温、压气机压比及效率、累积总压恢复系数等的变化规律,考虑参数灵敏度及其优化潜力,提出可用灵敏度并对系统的比功率和效率进行灵敏度分析。研究表明,闭式布雷顿循环发电系统的比功率和效率随涡轮入口总温及效率、压气机压比及效率、系统累积总压恢复系数等参数的增大而增高,随压气机入口总温的增大而减小。在压气机入口总温、压比与效率、涡轮入口总温及效率、累积总压恢复系数等主要热力参数中,系统比功率灵敏度最高的参数为涡轮效率,系统效率灵敏度最高的参数为压气机压比。考虑参数的实际优化潜力,在循环工质一定的条件下,系统比功率可用灵敏度最高的参数为涡轮入口总温,系统效率可用灵敏度最高的参数为压气机压比。

带有闭式布雷顿循环的预冷发动机特性研究

为获取带有闭式布雷顿循环的预冷发动机的飞行包线及性能,同时提高发动机工程实现的可行性,基于带有闭式布雷顿循环的预冷发动机基础循环及现有部件技术水平,构建了一种适度预冷发动机方案。对该方案下发动机沿着SABRE3飞行轨迹下的性能和部件匹配规律进行了分析。然后通过对发动机的高度、速度、调节特性进行研究,得到了该方案下发动机的飞行包线及整个包线内的性能。计算结果表明,本文所提出的适度预冷方案与SABRE3方案相比,核心机的比冲基本相当,但单位推力有所降低,工程可实现性提高;通过分别控制氦循环最低、最高温度为目标值,可保证发动机各部件在马赫数0~5的整个飞行过程中均处于稳定工作区间内,发动机比冲在1359~2099s,地面点单位推力最大,达到1.9kN/(kg/s);特性研究发现发动机推力与比冲在高度0~15km,马赫数1~3时最高,而单位推力最高的区域主要集中在包线的左侧低马赫数区,随马赫数的增加逐渐降低;发动机对氦压气机前温度的调节十分敏感,而对氦涡轮前温度的调节敏感性较低。综合研究表明,本文所给出的适度预冷方案的预冷发动机具有较好的宽域工作能力。

闭式布雷顿循环变工况试验研究与仿真分析

依托MW级多功能闭式布雷顿循环试验平台,开展了容积法和旁通法试验研究,详细分析了相应的系统各设备节点压力、温度和流量等参数的动态关联响应。依据AspenHYSYS对试验平台建立了仿真模型,并分别对容积法和旁通法进行了仿真分析。结果表明:旁通法和容积法2种调控手段能够有效调节系统设备的工作状态,使之达到新的匹配点,进而改变整个系统的工作特性;采用容积法时,受充气条件的影响,系统响应缓慢,但压气机效率和压比基本不变;采用旁通法时,系统响应较快,但压气机效率和压比发生变化;仿真结果与试验结果一致,证明了仿真模型的可靠性,为制定闭式布雷顿循环发电系统的控制策略奠定了基础。

旁路阀调节对高温气冷堆闭式布雷顿循环瞬态特性影响研究

闭式布雷顿循环是第4代高温堆核能系统的关键技术之一,其典型的动态过程是旁路阀调节。为分析这一过程,建立了循环中关键部件的动态模型,其中压气机在径向平衡模型基础上耦合了对附面层发展的预测,兼顾了计算效率与准确性;换热部件模型基于双曲型守恒律方程,对工质的热物性和参数的快速变化有较好的适应性。在此基础上根据回路的质量守恒和压力平衡原则将各部件的模型耦合,建立了系统的动态模型。由于旁路阀调节是氦气透平发电系统主要的功率快速调节手段,瞬态效应较为显著,以模块式高温气冷堆(HTR-10GT)旁路阀开启后的过渡过程作为算例,分析了主要循环参数的响应特性,并通过分析,给出了降低输出功率的机制。计算结果表明:系统的容积惯性对旁路阀调节的响应速度影响较大,而阀门的开度则决定了系统在末态的输出功率;回热器的温度冲击现象可能发生在调节过程中,但可通过两旁路阀联动的方式缓解;反应堆出口温度变化幅度很小,因此反应堆模型的准确程度对结果基本无影响。

空间闭式布雷顿循环旁路调节特性分析

闭式布雷顿循环是未来空间大功率热电转换的有效途径,而旁路调节是实现系统快速功率调节和转速控制的有效手段。通过对标美国普罗米修斯计划中的热电转换系统参数,进行了涡轮、压气机的气动设计和换热器性能计算,获得了包括组件特性、管道布局的热电转换系统动态仿真模型。基于该动态模型,对旁通阀不同响应时间、开度对系统功率、转速和循环温度、压力等参数影响进行仿真研究。空间闭式布雷顿循环系统在旁通阀开启后,系统功率和转速快速下降,其中功率出现了超调现象;循环高压侧压力下降且低压侧压力上升;回热器热侧入口温度增加而冷侧入口温度下降,热应力进一步提高。系统容积的提高,在一定程度上可以降低系统对旁通阀调节的敏感性。

闭式布雷顿循环核心机调控过程仿真分析

为了保证闭式布雷顿循环核心机在空间核电推进系统内能够稳定运行,需要在其调控过程中同时控制多个系统变量参数,设定合适的初始状态和调控策略。通过对整个闭式布雷顿循环的系统仿真,模拟了不同初始压力的情况下核心机在升速加载过程中的系统参数变化情况。在核心机转速与反应堆加热协同配合的调控策略下,压气机在整个升速加载过程中可以始终处于稳定运行区间内,而循环系统的初始压力会影响核心机加载过程中的各项参数,尤其是涡轮入口温度。在相对较低的系统初始压力情况下,需要在更高的涡轮入口温度条件下,才能够达到与高初始压力情况下相同的满状态电功率输出。仿真结果验证了以精确转速控制作为运行标准的核心机调控策略可行性,同时可以为循环系统不同阶段的热试车试验提供指导建议。

超临界二氧化碳闭式布雷顿循环特点与应用

以超临界二氧化碳闭式布雷顿循环为研究对象,分析该循环方式的工质特性、循环特点及优势,表明超临界二氧化碳闭式布雷顿循环在燃煤电站、核能发电、聚光式太阳能发电及余热利用等领域应用前景广阔。

超燃冲压发动机用SCO_(2)闭式回热布雷顿循环的热电转换系统性能分析

针对高超声速飞行器的供电和热防护需求,本文提出了一种基于超临界二氧化碳(SCO_(2))闭式回热布雷顿循环(RCBC)的热电转换系统,建立了一个由超燃冲压发动机燃烧室、壁面冷却通道和SCO_(2),RCBC组成的耦合模型来评估系统性能。对比了燃烧室与冷却通道耦合和不耦合的差距;分析了冷却流体进人冷却通道时的进口参数对系统热防护以及供电的影响。结果表明,热电转换系统通过将部分热量转化为电能,在对发动机进行热防护的同时,可以为高超声速飞行器提供25.14kW的电能。

航空发动机热防护超临界CO_(2)闭式循环方案设计

针对航空飞行器高速飞行时发动机热环境严峻、冷源有限的问题,提出了一种应用于航空发动机热防护、以超临界CO_(2)为工质的闭式布雷顿冷却循环方案。采用能量分析法构建布雷顿循环的数学模型,对比分析了简单循环、回热循环与间冷循环3种循环结构的优劣,比较了高温部件冷却通道的串并联结构对循环性能的影响。结果表明:回热循环能够提高系统热效率约4%,但热沉利用率降低50%;间冷循环能够降低系统热沉消耗8%,但会导致系统总质量增大;超临界CO_(2)简单循环是最符合发动机中间工质冷却循环工作需求的循环结构。对于简单循环而言,高温部件冷却通道并联结构的热效率比串联结构的高6%,但需要的碳氢燃料质量流量提高了2.7%,在碳氢燃料质量充足的条件下,并联结构的性能更优。

太阳能驱动闭式不可逆布雷顿循环性能解析式

在计入换热器热阻和压气机、涡轮中不可逆损失后，导出太阳能驱动变温热源闭式简单布雷顿循环功率、效率与循环压比关系的解析公式。

高炉余能余热驱动的不可逆闭式布雷顿热电冷联产装置火用性能分析

用有限时间热力学理论建立了由一个高炉余能余热驱动的不可逆闭式布雷顿循环和一个内可逆四热源吸收式制冷循环组成的热电冷联产循环模型,导出了其火用输出率和火用效率的表达式。利用数值计算方法,分析了循环各参数对火用输出率和火用效率与压比关系的影响,比较了最大火用输出率和最大火用效率性能,给出了实际热电冷联产装置设计和运行的建议。

空间闭式布雷顿太阳能热动力系统分析

建立了闭式布雷顿太阳能热动力(SDCBC)系统及各个主要部件的分析模型,对SDCBC系统及其主要部件进行了分析,讨论了系统的部分主要参数对整个系统效率的影响。结果表明,能量转换单元中膨胀机、压缩机的效率、回热换热器的回热度对系统效率影响最为明显,因此在选择能量转换单元时不仅需要尽可能地提高转换效率,还要考虑各个部分互相匹配的问题。此外,在综合考虑阻力损失和重量的情况下要尽可能选择更加高效的回热换热器。

兆瓦级核电推进系统布雷顿循环热电转换特性分析

闭式布雷顿循环是兆瓦级核电推进系统主要采用的动态热电转换方式,具有结构简单、转换效率高等特点。本文针对兆瓦级核电推进系统的动态布雷顿热电转换方式进行特性分析,具体内容包括:对氦气、氮气、二氧化碳和氙气4种工质及它们以不同比例混合的工质的热物性进行比较,进而对其在兆瓦级核电推进系统闭式布雷顿循环中的换热性能、压力损失系数和透平机械所需级数进行分析;以带有同流换热器和预冷器的直接气体透平循环为研究对象,比较兆瓦级核电推进系统气体透平循环在采用不同比例混合物作为工质时的循环效率,并对参数变化对循环效率的影响进行研究。本研究为兆瓦级核电推进系统气体透平循环在工质选择方面提供了一定的参考,为其设计和控制系统的研究奠定了基础,为以后进行气体透平循环动态性能研究打下了基础。

基于金属铝水反应的固体氧化物燃料电池/氦氙布雷顿循环动力系统研究

为了提高水下动力装置的能量密度,基于金属铝水反应高能量密度的特点,联合闭式布雷顿循环与固体氧化物燃料电池(Solid oxide fuel cell,SOFC)构造了一种闭式无空气推进(Air independent propulsion,AIP)动力装置,以100kW输出功率为设计目标进行数学模型的建立,通过布雷顿循环与SOFC循环换热特点进行迭代分析,分别以最大化铝水放热量和提高铝水反应热品质为目标搭建了两个动力系统,并确定了联合动力装置的功率分配和主要参数的设计。结果表明:以提高铝水反应热品质为目标的系统在效率和能量密度方面更具优势。SOFC输出功率占50.98kW,布雷顿循环占49.13kW,系统发电效率为40.02%。

核能Brayton闭式循环功热并供系统

本文基于能的梯级利用原理，把产功和供热有机结合，开拓出新颖的核能Brarton闭式循环功热并供系统；基于热力学基本方程推导出系统特性解析式，建立四个独立变量的系统数学模型；应用三种不同的评价准则对系统进行模拟分析，绘制不同条件下的特性线簇，概括了系统性能随独立变量的变化规律，得出许多有价值的结论。

氦氙气冷反应堆系统无保护控制事故安全分析

小型氦氙气冷反应堆布雷顿循环系统作为第4代先进反应堆,具有轻质、紧凑、系统简单和启停迅速等优点,十分适合用于偏僻地区和岛屿的能源供应。基于Modelica语言通过对各关键设备进行模块化动态建模,开发了氦氙气冷反应堆布雷顿循环系统分析程序,并进行程序可靠性验证。模拟了系统稳态工况和事故瞬态变工况,重点分析了反应性引入和容积控制系统错误投入等瞬态工况的动态响应特性。结果表明:系统分析程序仿真结果较为合理,系统具有一定自稳、自调能力,需采取措施控制转子转速下降速率。本文结果可为氦氙气冷反应堆布雷顿循环系统的安全特性分析提供理论基础。

内可逆闭式布雷顿联产装置输出率与效率

应用有限时间热力学方法,分析了恒温热源条件下内可逆闭式布雷顿联产装置的火用输出率,导出了无因次总输出率及效率公式.利用数值计算的方法,分析了输出率与热导分配比、循环压比参数之间的关系,研究表明:存在最佳的热导分配比和最优的压比参数,使得装置的输出率最大.进一步探讨了循环温比、用户温比、电热比对最大输出率和最佳热导分配比的影响,发现,高温侧最佳热导分配比始终保持在0.5左右.