[发明专利]一种10kW级空间核能闭式布雷顿循环热电转换系统

说明书

一种10kW级空间核能闭式布雷顿循环热电转换系统，应用场景为空间飞行器动力，将同位素热源产生的热能转化为电能，为电推力器等负载提供电力。本发明的发电功率为10kW，工质回路按闭式布雷顿循环设计，工质依次经过压气机中的绝热压缩、以同位源为热源定压加热、在透平中绝热膨胀、定压冷却的热力过程。该系统充分考虑所用惰性气体工质的物性，综合利用工质气体中各组分气体在导热性、热容等方面的优势，经过反复迭代设计，使得该系统具备了布局紧凑、转换效率高，功率密度高，环境适应性强等特点，同时适用于水潜航器动力系统。

技术领域

本发明涉及一种10kW级空间核能闭式布雷顿循环热电转换系统，应用场景包括空间核动力飞行器、水下核动力潜航器、非内燃式的热功转换发动机等。

背景技术

随着航天器应用电推进平台和深空探测任务的需求，我国已开展多种电推进技术研究，并取得了长足的进步，但鉴于我国空间核电源技术仍处于研制阶段，已有空间发电技术较受日照时间、功率水平等因素限制，难以满足深空探测的电源需求。目前核反应堆空间小型化技术尚不成熟，尚不支持100kW级以及更小功率的热电转换装置，小功率水平的同位素热源已实现空间应用。本发明中10kW级闭式布雷顿循环热电转换技术拟采用同位素热源，适用于长航时、无日照环境，使空间布雷顿热电转换系统成为急待发展的重要技术。

更先进的闭式布雷顿循环热功转换装置的关键性能指标为：更高的循环热功转换效率、更低的单位功率重量与更低的单位功率体积等。由于该发明的应用需求为空间封闭环境，采用闭式循环设计，其热力学设计受到诸多制约，在10kW功率等级布雷顿热电转换系统的研制尚属空白。传统的微型燃气轮机是面向开式布雷顿循环设计的，且其工质是空气及燃烧烟气。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种10kW级空间核能闭式布雷顿循环热电转换系统，利用太阳能、辐射同位素装置、化学反应器等多种热源，构建具有较高的能量转换效率以及较高的能量密度比的热力发电装置，并且不需要吸气与排气，在航天动力、水下动力等领域具有广阔应用前景。

本发明的技术解决方案是：一种10kW级空间核能闭式布雷顿循环热电转换系统，其特征在于：包括涡轮、电机、压气机、冷却器、回热器、换热器、供气模块、控制模块和滑油模块；

所述涡轮、电机、压气机、冷却器、回热器和换热器构成热力循环系统；所述换热器用于将同位素热源抽取的热量注入循环工质气体；工质气体经冷却器后进入压气机压缩升压，然后进入回热器加热，再流入换热器加热后，送至涡轮做功；电机和压气机为共轴转子，涡轮带动电机和压气机一同转动，电机转动的同时发出电能；

所述供气模块用于提供工质气体；

所述滑油模块用于为涡轮和压气机转子的滑动轴承提供润滑及冷却；

所述控制模块用于接收上级控制指令，控制电机、换热器、供气模块和滑油模块工作。

进一步地，所述涡轮、电机和压气机组成动力模块；所述动力模块采用卧式放置，电机置于中间，回热器和冷却器首尾串联，与电机平行放置。

进一步地，所述动力模块轴向长度在1.2m以内，半径为0.4m以内。

进一步地，所述工质气体为纯质氩气，或为40g/mol的氦-氙混合气，其中，氦气摩尔比例为70％～72％；输出功率范围在0.5～6.45kW；整机效率为5％～20％；运行时换热器加热功率为40～58kW；电机运行转速为28000～39000r/min。

进一步地，当使用所述的氦-氙混合气作为工质气体时，将所需的氦气和氙气分别独立贮存，汇入预混气瓶进行混合后注入压气机入口处；汇入预混气瓶时，氦气瓶和氙气瓶由各自压力表及流量计控制各自汇入气体的质量，以调节氦气的摩尔比例。

进一步地，所述供气模块与热力循环系统连接的位置在冷却器出口与压气机入口之间。