空間堆氦氙布雷頓循環(huán)研究進(jìn)展

陳偉雄,梁鐵波,姜超,廖先偉,錢奕然,唐鑫,嚴(yán)俊杰

(1. 西安交通大學(xué)動力工程多相流國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,710049,西安;2. 中國核動力研究設(shè)計院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,610213,成都)

在空間動力技術(shù)領(lǐng)域,穩(wěn)定、高能量密度、長壽命的空間動力系統(tǒng)是太空開發(fā)的研究重點(diǎn)?？臻g核反應(yīng)堆利用核裂變能量加熱推進(jìn)工質(zhì)或通過熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)發(fā)電,是未來應(yīng)用于太空核動力以及星球表面核電源的重要能源系統(tǒng)?？臻g核反應(yīng)堆匹配的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)必須同時保證較高的能量轉(zhuǎn)換效率以及較小的質(zhì)量和體積,此外還必須滿足可靠性、靈活性、長壽命等要求。目前,大功率空間核反應(yīng)堆一般采用動態(tài)能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng),如布雷頓循環(huán)和斯特林循環(huán)系統(tǒng),其中布雷頓循環(huán)具有效率高、循環(huán)結(jié)構(gòu)簡單、單位體積發(fā)電量高等特點(diǎn),是滿足兆瓦級核電系統(tǒng)的理想熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)[1]。

布雷頓循環(huán)的主要工質(zhì)有超臨界二氧化碳(SCO2)、氦氣、空氣等。SCO2布雷頓循環(huán)相較其他工質(zhì)循環(huán)更為高效,在中溫?zé)嵩?400～800℃)區(qū)間,其熱效率明顯高于其他工質(zhì)循環(huán)。空氣作為工質(zhì)的布雷頓循環(huán),其循環(huán)效率方面沒有明顯優(yōu)勢,但空氣工質(zhì)容易獲取和補(bǔ)充,因此在可移動微小型核電源領(lǐng)域有較好的應(yīng)用前景。國內(nèi)外研究表明,氦氣布雷頓循環(huán)在高溫氣冷堆領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景,使用氦氣等惰性氣體作為工質(zhì)具有很好的熱力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性,并可以最大限度地減少腐蝕問題,適應(yīng)較高的入口溫度,其效率更高。但由于氦氣摩爾質(zhì)量小且難以壓縮,需要多級數(shù)、大尺寸的葉輪設(shè)備以及換熱設(shè)備,因此,在空間布雷頓循環(huán)中,通常將循環(huán)工質(zhì)由純氦氣改為氦氙混合氣體。研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)使用特定比例的氦氙混合物作為工質(zhì)時,其換熱性能比氦氣高或者與氦氣相當(dāng),且氦氙混合氣體壓縮性能好,能減少葉輪級數(shù)與換熱器數(shù)量,對減小系統(tǒng)尺寸有重要意義,因此氦氙混合物適合作為空間核反應(yīng)堆的循環(huán)工質(zhì)[2]。

氦氙布雷頓循環(huán)由于其在空間堆的應(yīng)用前景較廣而引起了廣泛關(guān)注。從20世紀(jì)70年代開始,國外研究者就進(jìn)行了相關(guān)設(shè)計和試驗(yàn)工作。小功率空間氦氙布雷頓循環(huán)項目主要包括美國BRU計劃[3]、BIPS計劃[4]、NASA的JIMO計劃[5]等,輸出功率都是千瓦級,發(fā)電效率接近30%。而較為成熟的大功率空間反應(yīng)堆方案包括2009年俄羅斯提出的兆瓦級核動力飛船項目[6]和美國2003年開展的“普羅米修斯”計劃[7],堆芯都采用了氣冷堆,而能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)為氦氙閉式布雷頓循環(huán),冷卻回路采用鈉鉀合金作為冷卻劑,輸出功率分別為1 MW和 200 kW。在試驗(yàn)研究方面,美國開展了10 kW布雷頓渦輪機(jī)旋轉(zhuǎn)單元的研究,并建立了2 kW的微型布雷頓渦輪機(jī)旋轉(zhuǎn)單元樣機(jī),進(jìn)行了布雷頓循環(huán)系統(tǒng)可行性和性能方面的驗(yàn)證。第一套閉式布雷頓循環(huán)(CBC)空間功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng) BRU于1968—1976年在里維斯研究中心研制成功,包括相應(yīng)回?zé)崞骱蜔峤粨Q器單元,證實(shí)了閉式布雷頓循環(huán)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換功率在25%以上[8]。表1總結(jié)了國外典型空間堆布雷頓循環(huán)系統(tǒng)參數(shù)。

國內(nèi)外圍繞空間堆氦氙布雷頓循環(huán),主要的研究方向包括氦氙混合工質(zhì)的物性及流動傳熱特性、透平與壓縮機(jī)以及換熱器設(shè)計、循環(huán)的參數(shù)分析和優(yōu)化、循環(huán)的動態(tài)特性和控制策略等方面。調(diào)研發(fā)現(xiàn),目前對于空間堆氦氙布雷頓循環(huán)研究進(jìn)展總結(jié)較少,因此,本文對空間堆氦氙布雷頓循環(huán)重點(diǎn)研究方向的相關(guān)進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 氦氙布雷頓循環(huán)工質(zhì)特性研究

考慮到氦氙混合工質(zhì)的特殊性,氦氙布雷頓循環(huán)研究需要深入結(jié)合工質(zhì)特性。氦氙混合比例和狀態(tài)將對工質(zhì)物性產(chǎn)生影響,主要包括密度、動力黏度、定壓比熱容以及導(dǎo)熱系數(shù)等,進(jìn)而影響氦氙工質(zhì)的流動換熱特性和氣動特性,最終影響循環(huán)效率。表2給出了氦、氙及氦氙混合物物性參數(shù)表?？梢钥闯?氦氣的定壓比熱容和熱導(dǎo)率都遠(yuǎn)大于其他氣體工質(zhì);純氙氣的分子量很大,但是定壓比熱容和熱導(dǎo)率較小,這使其容易壓縮,但其換熱性能相較其他工質(zhì)較差;特定比例的氦氙混合物成為綜合性能較好的合理選擇。

1.1 氦氙混合工質(zhì)物性

不同氦氙混合比例將對工質(zhì)物性產(chǎn)生較大影響,其比例改變會導(dǎo)致混合物摩爾質(zhì)量變化。相關(guān)研究給出了在特定溫度和壓力下的氦氙混合氣體物性隨摩爾質(zhì)量即混合比例的變化規(guī)律。Tournier等[13]通過總結(jié)相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果,采用對應(yīng)態(tài)原理擬合得到了用于計算兩種惰性氣體混合工質(zhì)熱物性的半經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式,該公式可在壓力范圍0.1～20 MPa、溫度范圍300～1 400 K時進(jìn)行較高精度預(yù)測。因此得到了廣泛應(yīng)用,后續(xù)研究者開發(fā)的物性計算程序均是在該半經(jīng)驗(yàn)公式基礎(chǔ)上進(jìn)行的。楊謝等[14]探究了摩爾質(zhì)量、壓力和溫度等參數(shù)變化對氦氙混合物的熱物性影響規(guī)律,結(jié)果表明隨著混合物摩爾質(zhì)量增加,定壓比熱容與比熱比緩慢增大,動力黏度呈先增大后平緩下降的趨勢,導(dǎo)熱系數(shù)則單調(diào)下降,普朗特數(shù)先減小后增大;混合氣體動力黏度、導(dǎo)熱系數(shù)、普朗特數(shù)都不隨壓力發(fā)生明顯變化;溫度升高會使氦氙混合物導(dǎo)熱系數(shù)及動力黏度增大,但普朗特數(shù)變化很小。

Xu等[15]提出并建立了基于維里(Virial)系數(shù)的氦氙熱物性模型,并與理想氣體模型進(jìn)行比較,闡明氙氣體的添加使得氦氙混合工質(zhì)呈現(xiàn)明顯的非理想氣體特性;在不同溫度和壓力條件下,比較了兩種模型間氦氙混合工質(zhì)的物性參數(shù)與主要循環(huán)參數(shù)的偏差,建立了3.0 MW鋰?yán)淇於押るh(huán)熱力學(xué)模型,并分析了非理想氣體特性對循環(huán)效率的影響規(guī)律。結(jié)果表明,在摩爾質(zhì)量大于40 g/mol,或者在較低的溫度(<500 K)或較高的壓力(>3.0 MPa)下,氦氙混合工質(zhì)物性參數(shù)與理想氣體特性有明顯的偏差。而在不同壓比下,非理想氣體模型系統(tǒng)效率比理想氣體模型系統(tǒng)效率約低1.5%,表明非理想氣體模型使系統(tǒng)的模擬精度提高了約4.91%。

1.2 氦氙混合工質(zhì)流動及換熱特性

現(xiàn)有關(guān)于氦氙混合氣體流動特性的研究中,主要關(guān)注雷諾數(shù)、壓降和摩擦阻力系數(shù)間的變化規(guī)律。研究氦氙混合氣體的換熱性能時,主要關(guān)注對流換熱系數(shù)的變化,該系數(shù)由氣體的雷諾數(shù)和普朗特數(shù)共同決定。El-Genk等[16]指出,He和較重的惰性氣體,如Kr和Xe,組成二元混合物時,當(dāng)混合摩爾質(zhì)量分別小于22 g/mol和40 g/mol時,它們的換熱系數(shù)均略高于純氦氣,同時還顯著降低了葉輪機(jī)械的尺寸。Taylor等[17]通過總結(jié)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),給出了計算氦氙混合物對流換熱努塞爾數(shù)的半經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式,該公式適用于低普朗特數(shù)條件。楊謝等[14]利用該經(jīng)驗(yàn)公式探究了He-Xe混合工質(zhì)熱物性變化對換熱性能的影響,發(fā)現(xiàn)對流換熱系數(shù)最大值對應(yīng)的氦氙混合工質(zhì)摩爾質(zhì)量約為15 g/mol,并且證實(shí)在該比例下?lián)Q熱能力比純氦氣好。Leontiev等[18]針對普朗特數(shù)較低的氦氙混合物,研究了氣體雷諾數(shù)和馬赫數(shù)對流動、傳熱、傳質(zhì)的積分和局部特性的影響。

Szalmás等[19]基于動力學(xué)理論,計算了He-Xe和He-Ar在圓管中的壓力驅(qū)動流,并給出了整個系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)的流量、壓力和摩爾分?jǐn)?shù)的計算結(jié)果,以及壓力和摩爾分?jǐn)?shù)沿通道的代表性分布。李楊柳等[20]等開發(fā)了計算反應(yīng)堆內(nèi)單個通道采用He-Xe混合工質(zhì)冷卻的分析程序,建立了包含環(huán)形流道模型和圓管流道模型的反應(yīng)堆單通道模型,將計算結(jié)果與Fluent計算結(jié)果以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比,驗(yàn)證了模型程序的準(zhǔn)確性。余霖[21]采用STAR-CCM+軟件,對普羅米修斯計劃的氣冷堆環(huán)形冷卻劑通道進(jìn)行數(shù)值建模,研究了單冷卻劑通道和1/6堆芯冷卻劑通道內(nèi)不同比例的氦氙混合氣體的流動換熱特性,明確了環(huán)形、圓形、棒束等不同堆內(nèi)通道結(jié)構(gòu)條件下,氦氙混合氣體的最佳摩爾質(zhì)量均在15 g/mol附近。

黃笛等[22]通過數(shù)值模擬研究氦氙混合比例對堆內(nèi)通道流動換熱特性影響,分析了He-Xe混合工質(zhì)的混合比例變化對燃料棒間流動的換熱性能影響規(guī)律,發(fā)現(xiàn)當(dāng)混合工質(zhì)的摩爾質(zhì)量在15～20 g/mol范圍時,燃料棒間流動的換熱效果最好,而當(dāng)流通面積一定時,通過減小冷卻劑流道的直徑能提高換熱性能。周彪等[23]開發(fā)了適用于氦氙氣冷空間堆的熱工系統(tǒng)分析程序用于計算混合物的熱物性及換熱性能,并通過與實(shí)驗(yàn)值的對比,證明了該程序模擬的準(zhǔn)確度較高。此外,一些研究關(guān)注于不同結(jié)構(gòu)流動通道對氦氙換熱的影響。Huang等[24]的研究結(jié)果表明,窄矩形通道的傳熱性能與圓形通道相差不大,而圓形通道傳熱性能小于環(huán)形通道,并且通道類型的等效直徑越小,通道內(nèi)氦氙混合氣體的對流換熱系數(shù)越大。

通過調(diào)研總結(jié)國內(nèi)外學(xué)者對氦氙混合工質(zhì)流動及換熱特性研究,得到如表3所示的氦氙混合工質(zhì)流動換熱關(guān)聯(lián)式,并給出了經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式的適用范圍。

表3 氦氙混合工質(zhì)流動換熱關(guān)聯(lián)式

2 氦氙布雷頓循環(huán)關(guān)鍵部件研究

相比于陸基能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng),空間能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)不僅需要考慮轉(zhuǎn)換效率,而且需要考慮系統(tǒng)質(zhì)量及尺寸等影響設(shè)計方案可行性和發(fā)射運(yùn)載成本的重要因素。因此,高效緊湊的葉輪機(jī)械以及換熱設(shè)備是空間堆氦氙布雷頓循環(huán)需要關(guān)注的重點(diǎn)。

2.1 氦氙葉輪部件研究

氦氣的定壓比熱容和熱導(dǎo)率都遠(yuǎn)大于其他氙氣、空氣等氣體工質(zhì),因此在氦氣循環(huán)中換熱器的體積較小。但由于其大比熱故難以壓縮,需要更大尺寸及更多級數(shù)的壓氣機(jī)才能達(dá)到與空氣相同的壓比。氙氣的分子量很大,但其定壓比熱容和熱導(dǎo)率較小,這使其容易壓縮,換熱性能較差且定壓比熱容較小,因此其所需換熱器體積較大。研究表明,特定混合比例的氦氙混合物能較好地兼顧換熱性能和可壓縮性,從而使壓縮機(jī)和換熱器的尺寸都較小,其中40 g/mol的氦氙混合物研究較多,其對流換熱系數(shù)與氦氣相當(dāng),還能夠?qū)⑷~片的氣動負(fù)荷降低到純氦氣的10%左右,還可以使葉輪機(jī)械級數(shù)降低從而使動力系統(tǒng)的尺寸、質(zhì)量相對減小[31];對于空間堆小功率的閉式布雷頓循環(huán)系統(tǒng)來說,徑流式壓氣機(jī)以及渦輪無疑更具有尺寸和質(zhì)量優(yōu)勢,而小功率徑流式葉輪則需要高轉(zhuǎn)速。

2008年,Gallo等[32]針對空間堆閉式氦氙布雷頓循環(huán)系統(tǒng),對BRU項目中的渦輪與壓縮機(jī)進(jìn)行縮放,設(shè)計并研究了用于40 g/mol氦氙混合工質(zhì)的38 kW渦輪機(jī)組單元。研究考慮了葉輪機(jī)械的各種能量損失和氦氙工質(zhì)物性變化,發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)壓比和多變效率分別為1.6和83.1%,透平壓比和多變效率分別為1.51和88.3%。之后,Gallo等[3]又用同樣方法對15 g/mol氦氙混合工質(zhì)的渦輪機(jī)組單元進(jìn)行研究,結(jié)果表明在相同發(fā)電功率下,采用15 g/mol混合工質(zhì)可獲得較40 g/mol氦氙混合工質(zhì)更低的流量和更高的循環(huán)壓力。2009年,El-Genk等[33]針對間接閉式布雷頓循環(huán)高溫堆,研究了以氦氣、氦氙混合氣體和氦氮混合氣體為工質(zhì)時,透平入口溫度、轉(zhuǎn)速對葉輪設(shè)備尺寸、級數(shù)的影響規(guī)律。結(jié)果表明,兩種混合物的壓縮機(jī)和葉輪尺寸明顯低于純氦工質(zhì);當(dāng)轉(zhuǎn)速從3 000 r/min提高至5 400 r/min時,3種工質(zhì)的壓縮機(jī)級數(shù)減少了40%以上;15 g/mol摩爾質(zhì)量的氦氮混合工質(zhì)的葉輪級數(shù)高于氦氙混合工質(zhì)。

國內(nèi),劉學(xué)崢[34]設(shè)計了一種可用于氦氙混合工質(zhì)的離心式壓縮機(jī),并獲得了氦氙離心式壓氣機(jī)設(shè)計參數(shù)選取規(guī)律。田志濤等[35]采用一維方法設(shè)計了一種適用于摩爾質(zhì)量為40 g/mol混合氦氙工質(zhì)的離心式壓氣機(jī),如圖1所示,該壓氣機(jī)單級總壓比為2.3,等熵效率為88.7%,流量為1.6 kg/s,喘振裕度為20.4%,并通過數(shù)值模擬對壓氣機(jī)內(nèi)部流場進(jìn)行分析,得到氦氙離心式壓縮機(jī)的特性曲線。

圖1 He-Xe離心式壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖[35]Fig.1 Schematic diagram of He-Xe centrifugal compressor[35]

徐森锫等[36]針對空間核電源系統(tǒng)設(shè)計了可用于He-Xe混合物的徑流式向心透平,并采用數(shù)值模擬研究了透平內(nèi)部情況。結(jié)果表明,所設(shè)計的向心透平效率為84.4%,功率為618.3 kW,具有較好的氣動性能,并給出了葉頂間隙損失、二次流損失和內(nèi)部端壁損失的分布結(jié)果。后續(xù)研究表明,增大出口背壓、增大葉頂間隙以及減少葉片數(shù)目均會造成透平效率下降[37]。Yuan等[38]采用Chapman-Ebskog動力學(xué)理論和相應(yīng)態(tài)理論方法,計算了15.9 g/mol和40 g/mol的氦氙混合工質(zhì)的輸運(yùn)特性;根據(jù)流動相似條件開發(fā)了計算相似渦輪邊界的程序,使得徑向渦輪通道內(nèi)的流動相似;分析了氦氙混合氣體、氬氣和空氣作為工質(zhì)的徑向渦輪,發(fā)現(xiàn)其效率特性曲線相似度較高,而在偏離設(shè)計工況點(diǎn)后,氦氣和其他流體之間的效率誤差則會增加。

Malik等[39-42]以15 g/mol氦氙混合氣體作為工質(zhì),為300 MW高溫氣冷堆電站設(shè)計了一種兩級高負(fù)荷軸流式壓縮機(jī),壓縮機(jī)級數(shù)僅為純氦氣壓縮機(jī)的20%,大大縮小了設(shè)備尺寸。在后續(xù)研究中,利用相似原理對不同分子量的氦氙混合氣體的離心式壓縮機(jī)進(jìn)行性能分析,結(jié)果認(rèn)為使用40 g/mol的氦氙混合工質(zhì)是空間堆循環(huán)的最佳選擇,而15 g/mol的氦氙混合工質(zhì)更適用于陸地閉式布雷頓循環(huán)電廠。

2.2 氦氙換熱設(shè)備研究

由于太空環(huán)境的特殊性,循環(huán)廢熱只能以輻射散熱的方式向外排放。因此,冷卻器、冷卻介質(zhì)回路和輻射散熱器設(shè)計也成為了氦氙布雷頓循環(huán)的重要研究方向之一。El-Genk等[43]針對高溫氣冷堆耦合3個氦氙布雷頓循環(huán)空間動力系統(tǒng)提出了一種高溫水熱管輻射散熱器設(shè)計方案,該設(shè)計可以防止冷卻系統(tǒng)單點(diǎn)失效。氣體冷卻器采用NaK-78作為冷卻回路介質(zhì),另一端連接兩個水熱管散熱器面板。設(shè)計的水熱管輻射式散熱器總散熱量為324 kW,總質(zhì)量約994 kg。Qin等[44]對空間氣冷堆氦氙布雷頓循環(huán)分別耦合熱管散熱器和液滴散熱器(圖2)的循環(huán)性能進(jìn)行對比研究,發(fā)現(xiàn)在相同輸出功率和進(jìn)口溫度下,液滴輻射散熱器的質(zhì)量僅為熱管換熱器質(zhì)量的10%左右,在空間堆動力系統(tǒng)質(zhì)量方面更具優(yōu)勢。采用液滴輻射散熱器,當(dāng)氦氙循環(huán)壓縮機(jī)壓比為2.17時,循環(huán)效率可達(dá)到36%。

(a)熱管散熱器

針對高溫氦氙回?zé)崞鞯难芯恐?De Araújo等[45]對小型堆閉式氦氙布雷頓循環(huán)的叉流管殼式回?zé)崞鬟M(jìn)行了優(yōu)化,研究采用CFD方法模擬回?zé)崞鲀?nèi)部流場,以最小熵產(chǎn)和回?zé)岫戎g的比值作為性能評價指標(biāo),評估了該參數(shù)與回?zé)崞髻|(zhì)量之間的相關(guān)性,以確定最優(yōu)結(jié)構(gòu)。楊夷等[46]研究了溫度、回?zé)岫纫约爸圃旃に嚨纫蛩貙e-Xe換熱器的性能影響規(guī)律,發(fā)現(xiàn)采用精雕工藝能有效減少換熱器質(zhì)量約17%,并可降低通道壓降約30%,且回?zé)崞鲹Q熱性能不會出現(xiàn)明顯下降,并提出采用面積比功率因子作為回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)及性能的評價指標(biāo)。馬文魁等[47]搭建了空間He-Xe布雷頓循環(huán)熱力學(xué)模型,考慮了回?zé)崞鲹Q熱系數(shù)和壓力損失的耦合,并研究了循環(huán)壓比、He-Xe工質(zhì)混合比例以及溫比等關(guān)鍵參數(shù)對系統(tǒng)性能及回?zé)岫茸罴阎档挠绊懸?guī)律。結(jié)果表明,隨著循環(huán)壓比增加,回?zé)岫鹊淖罴阎党尸F(xiàn)先增加后減小的趨勢;當(dāng)He-Xe工質(zhì)中Xe比例增加時,混合工質(zhì)的壓力損失會快速增大,從而使得回?zé)岫茸罴阎得黠@減小;而當(dāng)系統(tǒng)溫比增加時,通過減小回?zé)崞鲏毫p失會使得回?zé)岫茸罴阎翟龃蟆?/p>

3 氦氙布雷頓循環(huán)性能優(yōu)化研究

目前,大多數(shù)氦氙布雷頓循環(huán)都是基于空間堆動力系統(tǒng)應(yīng)用而開發(fā)的,陸基布雷頓循環(huán)系統(tǒng)為提高循環(huán)效率而采用的增加換熱面積,以及采用更復(fù)雜的循環(huán)構(gòu)型、耦合底循環(huán)系統(tǒng)等方法,在空間氦氙循環(huán)中并不適用。現(xiàn)有的氦氙布雷頓循環(huán)大多采用簡單回?zé)嵫h(huán)構(gòu)型,追求更加高效緊湊的設(shè)備和整體布置,其系統(tǒng)示意圖如圖3所示。

圖3 空間堆氦氙簡單回?zé)嵫h(huán)系統(tǒng)示意圖 Fig.3 Schematic diagram of a space reactor He-Xe simple regenerative cycle system

El-Genk等[48]研究發(fā)現(xiàn),摩爾質(zhì)量為15 g/mol的氦氙混合氣體的傳熱系數(shù)比純氦氣高7%,且葉輪設(shè)備級數(shù)僅為純氦氣的24%～30%,然而對于相同的管道和換熱器設(shè)計,氦氙混合工質(zhì)的壓力損失是純氦氣的3倍。因此在較高的循環(huán)壓比下,采用氦氙混合工質(zhì)的電站峰值效率相比純氦降低了2%左右。在其后續(xù)研究中,針對純氦氣、15 g/mol的氦氙和氦氮混合氣體,在反應(yīng)堆出口溫度973～1 223 K條件下進(jìn)行循環(huán)性能分析。結(jié)果表明,3種工質(zhì)最大循環(huán)效率對應(yīng)的最佳壓比均較低(純氦氣、氦氙為2.6,氦氮為3.2)。在透平進(jìn)口溫度為1 123 K條件下,氦氙、氦氮布雷頓循環(huán)效率分別為45.9%和45.8%[49]。

李智等[50]分析了不同成分氦氙混合工質(zhì)對葉輪機(jī)械以及循環(huán)整體熱力學(xué)性能的影響,發(fā)現(xiàn)加入氙氣降低了循環(huán)熱力性能、循環(huán)效率和比功,當(dāng)氦氣摩爾分?jǐn)?shù)由100%降至64.8%時,循環(huán)的最大效率由36.5%下降至19.3%,但氙氣的加入能有效降低壓氣機(jī)膨脹功,改善循環(huán)氣動性能,減少壓氣機(jī)、換熱器數(shù)量。Liu等[51]采用非支配排序遺傳算法(NSGA-Ⅱ)通過優(yōu)化系統(tǒng)部件的關(guān)鍵參數(shù)來最小化系統(tǒng)總質(zhì)量,并對氦氙布雷頓循環(huán)及各個部件設(shè)計模塊性能進(jìn)行計算,給出了特定透平進(jìn)口溫度下系統(tǒng)最小質(zhì)量對應(yīng)的關(guān)鍵參數(shù)最優(yōu)值,并利用Garson算法對參數(shù)進(jìn)行了敏感性分析。結(jié)果表明在1 400 K透平進(jìn)口溫度下,最佳循環(huán)效率為16%～28%,最佳壓比為1.9～3.0。Romano等[52-53]優(yōu)化了用于空間堆氦氙布雷頓循環(huán)的熱管散熱器,將冷側(cè)熱力模型與布雷頓循環(huán)模型耦合可以得到不同循環(huán)參數(shù)下散熱系統(tǒng)的設(shè)計方案,同時采用最小比質(zhì)量(散熱器質(zhì)量和循環(huán)功率之比)作為優(yōu)化目標(biāo),最終優(yōu)化后的氣體冷卻器的進(jìn)口溫度為513.2 K,確保了動力系統(tǒng)的高效性和緊湊性。

郭凱倫等[54]比較了He、Xe、N2和CO2工質(zhì)以及這4種工質(zhì)采用不同混合比例時的物性,并且分析了兆瓦級布雷頓循環(huán)核電推進(jìn)系統(tǒng)(圖4所示)采用不同工質(zhì)時的系統(tǒng)性能,結(jié)果表明He-Xe混合工質(zhì)的換熱系數(shù)較高,且透平和壓縮機(jī)的級數(shù)較少,比較適合作為空間核動力系統(tǒng)的循環(huán)工質(zhì)。此外,探究了氦氙作為工質(zhì)時,葉輪效率、壓比、進(jìn)口溫度、壓損系數(shù)等參數(shù)對循環(huán)效率的影響,結(jié)果表明提高葉輪效率、透平進(jìn)口溫度、減小壓損有利于效率的提升,存在最佳壓比使效率最高。

圖4 兆瓦級核電推進(jìn)系統(tǒng)示意圖[54]Fig.4 Schematic diagram of megawatt nuclear power propulsion system[54]

張文文等[55]提出了一種兆瓦級氦氙冷卻熱管空間堆系統(tǒng)設(shè)計方案,如圖5所示,所設(shè)計反應(yīng)堆功率為3.2 MW,轉(zhuǎn)換效率為31.8%。熱管的堆芯熱量通過金屬鋰熱管導(dǎo)出至氦氙混合工質(zhì),系統(tǒng)冷端冷卻器中熱量通過冷卻回路進(jìn)行冷卻,冷卻回路采用鈉鉀合金作為工質(zhì),將熱量傳遞到鉀熱管輻射器,并通過輻射方式將熱量傳遞到太空。

圖5 熱管反應(yīng)堆核動力系統(tǒng)示意圖[55]Fig.5 Schematic diagram of the nuclear power system of a heat pipe reactor [55]

薛冰[8]參考美國淹沒次臨界反應(yīng)堆S4設(shè)計參數(shù),建立了小型氦氙冷卻反應(yīng)堆系統(tǒng)熱力性能分析模型,進(jìn)行了參數(shù)敏感性分析,并以系統(tǒng)效率和質(zhì)量為目標(biāo)進(jìn)行雙目標(biāo)優(yōu)化計算,得到的優(yōu)化方案提高了堆芯入口溫度和透平內(nèi)效率,降低了反應(yīng)堆流量、循環(huán)壓氣機(jī)壓比和回?zé)岫?使得系統(tǒng)熱效率提高5.0%,系統(tǒng)質(zhì)量減少2.5%。胡文楨等[56]通過Fortran語言編寫了部件及系統(tǒng)熱力模型,研究了小型氦氙冷卻反應(yīng)堆關(guān)鍵參數(shù),發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)效率和系統(tǒng)質(zhì)量受回?zé)崞骰責(zé)岫鹊挠绊憣ο到y(tǒng)性能產(chǎn)生較大影響,回?zé)岫仍酱?系統(tǒng)效率越高,但系統(tǒng)總體積也越大,而壓縮機(jī)壓比較小時會對系統(tǒng)質(zhì)量影響較大,當(dāng)壓比大于1.52時影響較小。

王佳賓等[57]對一種采用金屬燃料的氦氙布雷頓循環(huán)耦合固體氧化物燃料電池的聯(lián)合動力循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計優(yōu)化研究,利用氦氙布雷頓循環(huán)吸收鋁水反應(yīng)釋放的大量熱量,系統(tǒng)輸出功率設(shè)計為100 kW。通過參數(shù)分析及遺傳算法優(yōu)化,系統(tǒng)總效率可達(dá)到42.55%,效率達(dá)到49.04%。劉維新等[58]建立了空間堆氦氙布雷頓循環(huán)系統(tǒng)的各部件模型及系統(tǒng)整體分析模型,采用質(zhì)量比功率作為系統(tǒng)的性能評價指標(biāo),并研究了壓比、循環(huán)最低溫度和循環(huán)最高溫度等關(guān)鍵參數(shù)對系統(tǒng)評價指標(biāo)的影響規(guī)律,結(jié)果表明,當(dāng)壓縮機(jī)壓比和循環(huán)最低溫度變化時,存在一個最佳值使得系統(tǒng)質(zhì)量比功率指標(biāo)最小,壓氣機(jī)進(jìn)口溫度最優(yōu)值為416～508 K,壓比最優(yōu)值為2.4～3.1,而提高循環(huán)最高溫度能使得發(fā)電效率增加,并使系統(tǒng)質(zhì)量減小。Ma等[59]針對空間氦氙布雷頓循環(huán)研究了4種不同的軸承和發(fā)電機(jī)支路引流冷卻方案,分析了循環(huán)引氣對關(guān)鍵部件和循環(huán)性能的影響,并在回?zé)崞鳒囟葕A點(diǎn)限制下對4種冷卻方案進(jìn)行了優(yōu)化對比,結(jié)果表明,冷卻氣體回收軸承和發(fā)電機(jī)熱損失后匯入透平進(jìn)口的冷卻方案效率最高。

4 氦氙布雷頓循環(huán)動態(tài)特性與控制策略研究

El-Genk等[60]建立了用于能量轉(zhuǎn)換的多布雷頓循環(huán)回路的S4空間堆動力系統(tǒng)的動態(tài)仿真模型,并對瞬態(tài)啟動過程進(jìn)行演示。當(dāng)采用40 g/mol的氦氙混合氣體為工質(zhì),在功率為471 kW、轉(zhuǎn)速為45 000 r/min和循環(huán)溫度為1 149 K/400 K條件下,全功率運(yùn)行的瞬態(tài)啟動的最終系統(tǒng)輸出功率為130.8 kW,循環(huán)效率為27.8%。在其后續(xù)研究中,在反應(yīng)堆系統(tǒng)瞬態(tài)運(yùn)行和啟動工況的程序基礎(chǔ)上添加了布雷頓循環(huán)系統(tǒng)模塊與PID控制器,建立了一個由氣冷堆和3個獨(dú)立的閉式布雷頓循環(huán)組成的電力系統(tǒng)動態(tài)仿真模型,并用該程序?qū)ρ蜎]次臨界反應(yīng)堆S4進(jìn)行模擬,得到了反應(yīng)堆穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時的反應(yīng)堆啟動時間、循環(huán)效率、輸出功率、壓縮機(jī)和透平的熱力參數(shù)等[61]。

國內(nèi),李智[62]進(jìn)行了空間堆He-Xe布雷頓循環(huán)系統(tǒng)在變負(fù)荷條件下的動態(tài)特性及調(diào)控策略研究,其采用了3種調(diào)控策略:系統(tǒng)填充量控制、旁通調(diào)節(jié)及變轉(zhuǎn)速控制。結(jié)果表明,變負(fù)荷條件下,充裝量調(diào)節(jié)和分流率調(diào)節(jié)可維持系統(tǒng)轉(zhuǎn)速不變;填充量控制能使循環(huán)效率維持較高,而旁通調(diào)節(jié)雖然可以實(shí)現(xiàn)快速變負(fù)荷,但其變負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍較窄;變轉(zhuǎn)速控制原理是通過改變壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的使系統(tǒng)偏離設(shè)計點(diǎn),從而降低系統(tǒng)輸出功率。在事故工況下,由于系統(tǒng)甩負(fù)荷轉(zhuǎn)速會快速增加,可采用旁通調(diào)節(jié)快速降低輸出功率,以達(dá)到應(yīng)急處理,從而使系統(tǒng)轉(zhuǎn)速快速下降至安全范圍。Ma等[63]建立了空間核動力系統(tǒng)多布雷頓循環(huán)的熱工水力模型,針對具有雙布雷頓循環(huán)回路系統(tǒng),提出了同時啟動和順序啟動兩種方案,并對它們的性能進(jìn)行比較。結(jié)果表明,在初始啟動階段,需要外部動力源提供動力來驅(qū)動軸的轉(zhuǎn)動;采用同時啟動方案系統(tǒng)穩(wěn)定且耗時少,但所需外部驅(qū)動功率大;采用順序啟動方案所需驅(qū)動功率小,但布雷頓循環(huán)之間的耦合效應(yīng)會導(dǎo)致氣體流量和功率的波動,系統(tǒng)穩(wěn)定性變差。

侯捷名[2]使用RELAP5程序建立了100 kW空間鋰?yán)淇於押る祭最D循環(huán)控制系統(tǒng)和保護(hù)系統(tǒng),并對整個系統(tǒng)變工況運(yùn)行、空間堆臨界安全以及事故工況瞬態(tài)過程進(jìn)行了模擬,重點(diǎn)研究了系統(tǒng)失流事故、反應(yīng)性引入、熱阱喪失等事故工況下系統(tǒng)的安全性能。Zhang等[64]針對兆瓦級空間熱管堆氦氙布雷頓循環(huán),建立了包括反應(yīng)堆、葉輪機(jī)械、換熱設(shè)備、管道等在內(nèi)的所有部件的動態(tài)模型,開發(fā)了系統(tǒng)瞬態(tài)分析程序,對該系統(tǒng)的安全特性進(jìn)行了分析。此外,也對單回路布雷頓循環(huán)機(jī)械故障和反應(yīng)性插入事故下系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了研究。Wang等[65]在該系統(tǒng)瞬態(tài)分析程序基礎(chǔ)上,研究了氣冷堆耦合布雷頓循環(huán)系統(tǒng)在不同運(yùn)行條件下的安全特性,結(jié)果表明高溫氣冷堆啟動過程需4 h,在全功率運(yùn)行下燃料最高溫度低于熔點(diǎn)溫度且有足夠的安全裕度;當(dāng)緊急情況下關(guān)閉高溫氣冷堆時,可以通過堆芯的熱傳導(dǎo)和輻射傳熱來去除反應(yīng)堆的余熱,表明所設(shè)計的高溫氣冷堆由于其負(fù)反應(yīng)特性和被動安全特性而具有較好的固有安全性。

辛杰等[66]基于Simulink平臺開展400 kW級空間核堆氦氙布雷頓循環(huán)系統(tǒng)一維分析,研究了系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行、反應(yīng)堆功率快速增加、階躍及持續(xù)引入反應(yīng)性等不同動態(tài)熱力過程下的系統(tǒng)動態(tài)特性。薛翔等[67]參考JIMO 100 kW動力系統(tǒng)搭建了閉式He-Xe循環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)計算模型,研究了不同系統(tǒng)初始壓力時,核心機(jī)轉(zhuǎn)速快速增加對系統(tǒng)參數(shù)及性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明,在調(diào)節(jié)核心機(jī)的轉(zhuǎn)速并改變反應(yīng)堆加熱功率的控制方式下,該動態(tài)過程中系統(tǒng)參數(shù)能一直保持在穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)間,這表明采用準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)速控制是核心機(jī)的主要控制策略。王浩明等[68]參考普羅米修斯計劃中的系統(tǒng)參數(shù),獲得了包括組件特性、管道布局的氦氙布雷頓循環(huán)系統(tǒng)動態(tài)仿真模型,探究了系統(tǒng)采用旁通閥控制時閥門的開度及響應(yīng)時間對系統(tǒng)主要熱力參數(shù)及性能的影響規(guī)律。研究表明,采用旁通閥控制時,閥門開啟會使得透平轉(zhuǎn)速快速下降,進(jìn)而使系統(tǒng)輸出功率快速降低,其中功率出現(xiàn)了超調(diào)現(xiàn)象,而通過增加系統(tǒng)的容積能夠降低采用旁通閥調(diào)節(jié)的敏感度。

總結(jié)現(xiàn)有氦氙布雷頓循環(huán)動態(tài)特性與控制策略研究可以發(fā)現(xiàn),目前主要通過建立特定系統(tǒng)的動態(tài)仿真模型或程序開展針對動態(tài)特性的研究,包括反應(yīng)堆及各部件動態(tài)模型,研究的典型動態(tài)過程主要包括系統(tǒng)瞬態(tài)啟動、變負(fù)荷工況以及事故工況等。針對氦氙布雷頓循環(huán)變工況控制策略研究中,主要的控制方式包括充裝量調(diào)節(jié)、旁通閥調(diào)節(jié)和變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)3種。充裝量調(diào)節(jié)通過外部儲罐改變循環(huán)工質(zhì)填充量以實(shí)現(xiàn)變工況,這種控制方式可以保持較高的循環(huán)效率,但變負(fù)荷速率較慢;旁通閥調(diào)節(jié)通過改變流經(jīng)透平的工質(zhì)流量來實(shí)現(xiàn)變負(fù)荷,變負(fù)荷速率快但調(diào)節(jié)范圍較窄,適合在事故工況下使用;變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)通過轉(zhuǎn)速的變化使系統(tǒng)偏離額定工作點(diǎn),降低循環(huán)輸出功,從而實(shí)現(xiàn)精確調(diào)節(jié),但其適用于透平和壓縮機(jī)分軸布置的情形。后續(xù)研究有待開展耦合反應(yīng)堆和動力系統(tǒng)的氦氙布雷頓循環(huán)全局動態(tài)特性研究,包括啟停堆/機(jī)、變負(fù)荷運(yùn)行、反應(yīng)堆臨界安全、事故工況等動態(tài)過程,并據(jù)此提出容量控制、旁路控制、轉(zhuǎn)速控制等多方式有機(jī)結(jié)合的動態(tài)調(diào)控策略,建立靈活、可靠的控制系統(tǒng)與保護(hù)系統(tǒng),以達(dá)到安全、快速、靈活的調(diào)節(jié)目標(biāo),從而提升氦氙布雷頓循環(huán)的全工況適應(yīng)性和系統(tǒng)安全性。

5 結(jié)論與展望

隨著深空探索技術(shù)飛速發(fā)展,氦氙布雷頓循環(huán)的應(yīng)用場景不斷拓展,把握氦氙布雷頓循環(huán)的研究進(jìn)展及未來發(fā)展趨勢,對推動空間能量轉(zhuǎn)換技術(shù)的進(jìn)步具有重要意義。本文在深入調(diào)研空間堆氦氙布雷頓循環(huán)的發(fā)展歷史和國內(nèi)外研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上,對其關(guān)鍵技術(shù)問題和重點(diǎn)研究方向的相關(guān)進(jìn)展進(jìn)行了綜述,所獲主要結(jié)論及未來展望如下。

(1)對于氦氙混合物工質(zhì)特性研究,目前重點(diǎn)關(guān)注40 g/mol和15 g/mol這兩個特定摩爾質(zhì)量濃度的混合工質(zhì),前者可以改善壓縮性能,減小壓縮機(jī)尺寸和級數(shù),降低系統(tǒng)總質(zhì)量,更適合作為空間布雷頓工質(zhì),后者能夠達(dá)到更大對流換熱系數(shù)。在后續(xù)研究中,建立適用于溫度、壓力和混合比例大范圍變化下氦氙混合氣體的高精度物性及流動傳熱模型,確定適用于不同功率等級和工作場景的氦氙工質(zhì)最佳混合比例,是深入開展氦氙布雷頓循環(huán)研究的重要方向。

(2)對于氦氙布雷頓循環(huán)關(guān)鍵部件研究,目前葉輪部件主要針對特定應(yīng)用場景進(jìn)行了相關(guān)研究設(shè)計工作,且大多數(shù)為小功率徑流式葉輪設(shè)計,也有對冷卻器、回?zé)崞?、散熱器等換熱設(shè)備的研究設(shè)計。未來應(yīng)圍繞不同氦氙布雷頓循環(huán)功率、轉(zhuǎn)速和運(yùn)行條件,形成一系列成熟的高性能壓縮機(jī)和透平設(shè)計方案,并開展相應(yīng)試驗(yàn)研究,針對換熱設(shè)備開展高性能緊湊式換熱器研究。

(3)對于氦氙布雷頓循環(huán)性能提升,目前大多采用簡單回?zé)嵫h(huán)構(gòu)型,追求更加高效、緊湊的設(shè)備和整體布置,研究溫度、壓比、回?zé)岫鹊葏?shù)對系統(tǒng)的影響,并采用效率、比功率等指標(biāo)來進(jìn)行評價。但綜合考慮冷源條件、循環(huán)壓力和功率等變化對循環(huán)性能和整體尺寸的影響目前較少,有待開展全功率等級、全工況的氦氙布雷頓循環(huán)多目標(biāo)、多參數(shù)優(yōu)化設(shè)計和評估工作。

(4)對于氦氙布雷頓循環(huán)動態(tài)特性及控制策略研究,目前一些研究者針對特定系統(tǒng)建立了系統(tǒng)動態(tài)仿真模型,并對系統(tǒng)瞬態(tài)啟動、部分負(fù)荷工況以及事故工況等動態(tài)過程進(jìn)行了研究。后續(xù)研究有待開展耦合反應(yīng)堆和冷卻系統(tǒng)的氦氙布雷頓循環(huán)全局動態(tài)特性研究,提出安全、靈活、高效的動態(tài)調(diào)控策略,以提升氦氙布雷頓循環(huán)的全工況適應(yīng)性和系統(tǒng)安全性。