基于MW级布雷顿循环的空间核热电双模式系统性能优化

发布时间：2021-07-26 14:59

　　近年来,空间核能的利用越来越成为航天设计关注的重点,核热推进因其推力大、比冲高相比于电推进、化学推进更具发展优势;而布雷顿热电转换循环因效率高、体积小在空间电力储备中优点突出,因此,将推进技术和电源技术相结合,发展空间核热电双模式系统对于深空探测更具发展意义。我国对集推进和发电于一体的双模式系统的研究和开发还处于初级阶段,因此,本文主要对研究还不深入、技术相对欠缺的空间核热电双模式系统进行概念性设计和研究。建立基于布雷顿循环的空间核热电双模式系统的数理模型,并对系统的推进模块和发电模块进行计算和性能分析,对多目标优化所得最优工况下的双模式系统进行质量预估。为确定系统满足火星探测基本动力需求,对推进模块进行数学建模,探讨堆芯及燃料选型,选取关键设计参数、确定基本动力结构,通过设计计算,得到推力106.2k N,比冲912s,三台发动机并联使用满足火星探测基本动力需求。对发电模块进行数学建模及工质选择,重点对比8MPa、10MPa和15MPa下超临界二氧化碳物性,并基于REFPROP数据库对以超临界二氧化碳为工质的再压缩布雷顿热电转换循环进行模拟仿真计算,将结果与试验对比验证模拟的可行性。... 

【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校

【文章页数】：89 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

系统热电转换效率和循环实现方式对比图[12]

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-3-图1-2蒸汽朗肯循环、燃气轮机、S-CO2布雷顿循环关系图[12]图1-2展示了蒸汽朗肯循环、燃气轮机以及S-CO2布雷顿循环三者的对比关系[12]。从图1-1和图1-2可知，蒸汽朗肯循环可以在低的涡轮进口温度条件下实现较高的热电转换效率，这是因为工作液体在液态下耗费的压缩功较少，相比之下，燃气轮机压缩气体工质，耗功大，因此热电转换效率不及蒸汽朗肯循环。而S-CO2布雷顿循环结合了二者的优势，工质在超临界点的特性减少了压缩功，同时其腐蚀性比蒸汽朗肯循环低，就可以允许更高的涡轮进口温度，更重要的是其具有紧凑的涡轮机械结构，CO2的临界压力比较高，系统在超临界状态下运行使工质能保持高密度状态，因此涡轮机械体积比蒸汽朗肯循环小得多，约是蒸汽朗肯循环的十分之一，且S-CO2循环的压比比蒸汽朗肯循环小得多，透平出口温度相对来说更高，因此需要回收大量的废热来提高热效率，而再压缩结构则能完美的解决这一问题，循环的T-s图如图1-3所示。就目前的研究结论可知，核热推进相对于传统推进技术更具有发展优势，而双模式核热推进在此基础上进一步解决了设备用电问题，充分利用反应堆余热进行发电，更加满足未来航天活动对能量利用效率的要求，且S-CO2布雷顿热电转换技术具有各方面的优势，适合应用于空间设备，故提出基于S-CO2布雷顿热电转换循环的核热电双模式系统的研究，既能实现航天航空设备推进系统更高的比冲和更大的推力，又能搭载S-CO2布雷顿热电转换模块在较高热电转换效率下实现整体系统体积和质量的最小化，且火星大气成分中大部分是CO2，选择S-CO2作为发电循环的工质，针对火星探测来说可以实现工质补给。本文在国内外对于此类核热电双模式系统研究还不是很全面的基础上，对基于S-CO2布雷顿热

再压缩布雷顿循环T-s图

【参考文献】：
期刊论文
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硕士论文
[1]空间核能系统布雷顿循环性能评估及优化[D]. 张秀.哈尔滨工业大学 2019
[2]多目标粒子群优化算法及其应用研究[D]. 吴柏林.电子科技大学 2019
[3]核热火箭发动机系统方案研究[D]. 刘忠恕.中国航天科技集团公司第一研究院 2017
[4]多目标粒子群优化算法的改进及应用研究[D]. 伍思敏.江南大学 2013



本文编号：3303784