Ядерная энергетическая установка космического аппарата


 


Владельцы патента RU 2494481:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" (МАИ) (RU)

Изобретение относится к источникам электроснабжения космического аппарата. Ядерная энергетическая установка (ЯЭУ) космического аппарата содержит энергетический блок, который включает газоохлаждаемый ядерный реактор, машинные преобразователи энергии, радиационную защиту, агрегаты системы теплоотвода с соединяющими их элементами конструкции, а также холодильник-излучатель. Машинный преобразователь состоит из турбины и компрессора с генератором. Турбина установлена параллельно оси энергетической установки, при этом входной патрубок турбины присоединен к выходному коллектору ядерного реактора. Компрессор с генератором расположены за радиационной защитой, а вал турбины соединен с общим валом компрессора и генератора рессорой. На боковой поверхности радиационной защиты выполнен сквозной паз, в котором размещена рессора в герметизирующем корпусе. Паз снабжен вставкой защитного материала. Технический результат - снижение температуры трубопроводов с теплоносителем, проходящих сквозь радиационную защиту, и, как следствие, исключение из конструкции системы охлаждения, а также повышение температуры приходящего на турбину теплоносителя с соответствующим повышением коэффициента полезного действия преобразования энергии. 1 ил.

 

Изобретение относится к ядерным энергетическим установкам (ЯЭУ), используемым в качестве источников электрической энергии космических аппаратов (КА).

Известен ряд конструкций подобных ЯЭУ, в которых машинный преобразователь энергии - турбогенератор - размещен на элементах конструкции ЯЭУ, приведенных, например, в книге “Основы теории, конструкции и эксплуатации космических ЯЭУ» А.А. Куландин, С.В. Тимашев, В.Д. Атамасов др. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1987, 181 с.

Наиболее близким техническим решением, к заявленному, является ЯЭУ КА, снабженная машинным преобразователем энергии - газовой турбиной, размещенной за радиационной защитой на силовой раме, стыкующейся с топливным баком КА (см. Концепция маршевой ядерной энергоустановки электрической мощностью 500 кВт на основе газоохлаждаемого реактора с газотурбинным преобразованием энергии по циклу Брайтона, сборник докладов Международной конференции Ядерная энергетика в космосе - 2005, Москва - г.Подольск Московская область, 2005, с.19-20).

Недостатком такой ЯЭУ является необходимость проводки трубопроводов с горячим газом (~1200°С) через радиационную защиту, содержащую гидрид лития с относительно низкой температурой функционирования и требующего в связи с этим специального контура охлаждения радиационной защиты.

Задача, на выполнение которой направлено заявленное изобретение, - снижение массы энергетической установки.

Технический результат - снижение температуры трубопроводов с теплоносителем, проходящих сквозь радиационную защиту, и, как следствие, исключение из конструкции системы охлаждения, а также повышение температуры приходящего на турбину теплоносителя и, соответственно, повышение коэффициента полезного действия преобразования энергии.

Этот результат достигается тем, что в ядерной энергетической установке космического аппарата, содержащей энергетический блок, включающий газоохлаждаемый ядерный реактор, машинные преобразователи энергии, в каждый из которых состоит из турбины и компрессора с генератором, радиационную защиту, агрегаты системы теплоотвода с соединяющими их элементами конструкции, а также холодильник излучатель турбина установлена параллельно оси энергетической установки своим входным патрубком на выходном коллекторе ядерного реактора, компрессор с генератором расположены за радиационной защитой, а вал турбины соединен с общим валом компрессора и генератора рессорой, и на боковой поверхности радиационной защиты выполнен сквозной паз, снабженный вставкой защитного материала, в котором размещена рессора в герметизирующем корпусе.

На фигуре приведена конструктивная схема ЯЭУ.

ЯЭУ содержит ядерный реактор 1, радиационную защиту 2, машинный преобразователь энергии, состоящими из турбины 3, компрессора 4 и генератора 5, элементы системы теплоотвода - регенераторы 6, теплообменники 7, электромагнитный насос 8, раму 9 с размещенным на ней холодильником-излучателем (условно не показан).

Особенностью предлагаемой конструкции является разнесенность по расстоянию турбины 3 и компрессора 4 с генератором 5. Это позволяет поместить турбину перед радиационной защитой, а компрессор с генератором за ней. Соответственно турбина и компрессор с генератором расположены соосно. Турбина находится на своем валу и расположена консольно. Компрессор и генератор имеют общий вал, крутящий момент на который передается от вала турбины через рессору 10 с эвольвентными шлицами. Рессора обеспечивает работу турбины совместно с компрессором и генератором при возможных смещениях и перекосах валов. Длина рессоры определяется необходимым пространством для размещения радиационной защиты и условием обеспечения несовпадением частоты возбуждения и собственной частоты крутильных колебаний. Корпус турбины и компрессора. генератора стыкуется через корпус 11 рессоры и герметизируется сваркой. Подобное техническое решение турбомашины с единым корпусом и двухвальной системой с передачей крутящего момента через рессору является апробированным многократно при создании турбонасосных агрегатов, жидкостных ракетных двигателей (см. Гахун Г.Г., Баулин В.И. и др. Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей. Под общей ред. Проф. Г.Г. Гахуна. М., Машиностроение, 1989, 423 с.).

Входной патрубок каждой турбины непосредственно соединен с выходным коллектором газоохлаждаемого ядерного реактора.

Радиационная защита выполнена в виде тонкостенного герметичного корпуса заполненного методом литья гидридом лития, образующим после охлаждения твердый монолит. Радиационная защита снабжена, например, четырьмя пазами, (количество равно количеству машинных преобразователей) для размещения в них корпуса рессоры, соединяющей турбину и компрессор с генератором. Пазы снабжены вставками 12 из гидрида лития, устанавливаемыми в них после монтажа блока турбокомпрессора с генератором для предотвращения прострела радиационного излучения.

Помимо пазов под турбокомпрессор с генератором радиационная защита/ имеет на наружной стороне каналы под трубопроводы газового теплоносителя, а также внутренние каналы под тяги органов регулирования от их электроприводов, размещенных за радиационной защитой. Сами электроприводы размещены по периферии рамы для обеспечения необходимого теплового режима. Внутри рамы на тягах закреплены регенераторы и теплообменники. Последние служат для передачи неиспользуемого тепла газового теплоносителя на ХИ посредством жидкометаллического теплоносителя (натрий-калий). Для его прокачки по жидкометаллическому контуру и ХИ служит электромагнитный насос 8.

Представленная конструкция ЯЭУ функционирует следующим образом. Нагретый в реакторе газ (~1200°С), например гелий ксенон, сразу без промежуточных теплопроводов, как в прототипе, попадает на турбину, где частично срабатывает свою энергию и уже с температурой менее 900°С проходит по трубопроводам через радиационную защиту по ее внешней поверхности. Затем через регенератор, нагревающий идущий в реактор газ, отдает тепло в теплообменнике жидкометаллическому теплоносителю для ХИ, а сам поступает в корпус генератора для его охлаждения и далее в компрессор. Компрессор, находящийся на одном валу с турбиной, сжимает газ, поступающий затем через регенератор в реактор. Одновременно с компрессором турбина приводит во вращение генератор, вырабатывающий электрический ток.

Помимо улучшения теплового состояния радиационной защиты и повышения верхней температуры газотурбинного цикла снижается масса конструкций работающих при температурах ~1200°С и соответственно облегчается выбор требуемых жаропрочных материалов.

Ядерная энергетическая установка космического аппарата, содержащая энергетический блок, включающий газоохлаждаемый ядерный реактор, машинные преобразователи энергии, каждый из которых состоит из турбины и компрессора с генератором, радиационную защиту, агрегаты системы теплоотвода с соединяющими их элементами конструкции, а также холодильник-излучатель, отличающаяся тем, что турбина установлена параллельно оси энергетической установки, при этом входной патрубок турбины присоединен к выходному коллектору ядерного реактора, компрессор с генератором расположены за радиационной защитой, а вал турбины соединен с общим валом компрессора и генератора рессорой, на боковой поверхности радиационной защиты выполнен сквозной паз, снабженный вставкой защитного материала, в котором размещена рессора в герметизирующем корпусе.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к комбинированным парогазовым энергоустановкам. .

Изобретение относится к атомной энергетике и ракетно-космической технике и может быть использовано при создании энергетических, двигательных и энергодвигательных установок.

Изобретение относится к промышленным сооружениям и может быть использовано при строительстве подземных атомных электростанций (АЭС). .

Изобретение относится к области теплоэнергетики с использованием ядерных реакторов в качестве высокотемпературных источников теплоты, двигателей Стирлинга и предназначено в качестве комбинированных энергоустановок для автономных объектов.

Изобретение относится к ядерной энергетике, в частности к космическим ядерным энергетическим установкам. .

Изобретение относится к области атомной энергетики и может быть использовано при разработке и создании ядерных энергетических установок, например транспортных, а конструкция барабана, предложенная в изобретении, может применяться и в других тепловых турбинных двигателях, использующих ленты или спирали с эффектом памяти формы.

Изобретение относится к ядерной технике, а более конкретно - к ядерным энергетическим установкам (ЯЭУ) с водоводяными кипящими ядерными реакторами (ЯР). .

Изобретение относится к области атомной техники, в частности к ядерным энергетическим установкам (ЯЭУ) с корпусным легководным реактором. .

Изобретение относится к ракетно-космической технике, а именно к ядерным ракетным двигателям (ЯРД), и может найти применение в ракетах и аэрокосмических летательных аппаратах, предназначенных для выполнения долговременных беспосадочных полетов одновременно в атмосфере, в безвоздушном (стратосфере) и околоземном космическом пространстве. ЯРД включает ядерный реактор, теплообменную камеру с радиационно-защитным днищем, через которое герметично пропущены тепловоды. Теплообменная камера ЯРД выполнена секционированной, с нагревательными каналами, разделенными межсекционными стенками и связанными полостями с возможностью последовательного прохода рабочего тела через каналы всех секций до выхода в сверхзвуковое сопло или блок сопел. Технический результат - повышение удельной тяги и эффективности работы ЯРД, возможность использования маршевого рабочего тела в бортовых турбоагрегатах, турбоэлектрогенераторах и управляющих двигателях с сохранением их работоспособности при отключенном маршевом сопле. 3 н. и 9 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к области ядерных энергодвигательных установок (ЯЭДУ) большой мощности, функционирующих с замкнутым контуром рабочего тела для выработки электрической энергии и создания тяги. ЯЭДУ содержит электроракетную двигательную установку, холодильник-излучатель, реакторную установку с рабочим телом, теплообменник-рекуператор и турбогенератор-компрессор. Последний состоит из турбины, компрессора, генератора электрической энергии. Выход из теплообменника-рекуператора охлажденного рабочего тела соединен со входом вихревой трубки Ранка-Хильша. Выход из вихревой трубки Ранка-Хильша по "горячему" рабочему телу соединен с холодильником-излучателем, а выход по "холодному" рабочему телу - с компрессором, при этом выход холодильника-излучателя соединен со входом в компрессор. Технический результат изобретения состоит в существенном повышении температуры панелей холодильника-излучателя, что улучшает массогабаритные характеристики ЯЭДУ и повышает ее КПД. 1 ил.

Изобретение относится к атомной энергетике и ракетно-космической технике. Технический результат - повышение эффективности и надежности функционирования ядерной энергодвигательной установки космического аппарата. ЯЭДУ КА содержит нагреватель - газоохлаждаемый ядерный реактор, холодильник, рекуператор, систему трубопроводов с газообразным рабочим телом (ГРТ), соосные турбину-компрессор-электрогенератор (ТКГ), электроракетные двигатели (ЭРД), систему автоматического управления (САУ) со средствами измерения и контроля. Количество контуров ТКГ с равной электрической мощностью кратно двум с противоположным направлением вращения роторов ТКГ в каждой паре, при этом система трубопроводов соединяет выход нагревателя - газоохлаждаемого ядерного реактора с входом каждой турбины, выход турбины с входом тракта нагретого ГРТ своего рекуператора, выход тракта нагретого ГРТ рекуператора с входом своего холодильника, выход холодильника с входом своего компрессора, выход компрессора с входом тракта холодного ГРТ своего рекуператора, выход тракта холодного ГРТ каждого рекуператора с входом нагревателя - газоохлаждаемого ядерного реактора. 18 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к космическим ядерным энергетическим установкам. Установка содержит ядерный реактор, радиационную защиту и систему преобразования энергии. Реактор соединен с системой преобразования энергии трубопроводами циркуляции теплоносителя. Внутри корпуса ядерного реактора закреплена активная зона, которая заключена в обечайку с днищем. Обечайка установлена с образованием кольцевого зазора относительно корпуса ядерного реактора для движения по нему охлажденного теплоносителя. Между активной зоной и днищем обечайки образована полость для сбора горячего теплоносителя после его выхода из активной зоны. Ниже уровня активной зоны расположены патрубки подвода и отвода теплоносителя. Патрубки отвода соединены с полостью между днищем обечайки и активной зоной, а патрубки подвода - с кольцевым зазором между обечайкой и корпусом ядерного реактора. Технический результат: снижение потери давления теплоносителя в тракте подачи в активную зону, повышение допускаемых напряжений на стенке корпуса реактора и снижение материалоемкости. 2 ил.

Изобретение относится к космическим ядерным энергетическим установкам (КЯЭУ). КЯЭУ содержит ядерный реактор и контур его охлаждения. Активная зона в обечайке установлена с кольцевым зазором относительно корпуса реактора. В зазоре размещена разделительная обечайка, делящая кольцевой зазор между активной зоной и корпусом реактора на два кольцевых канала, которые сообщены со сборной камерой теплоносителя над активной зоной. Под активной зоной находится раздающая камера теплоносителя. В нижней части ядерного реактора расположены патрубки подвода и патрубки отвода теплоносителя, а также дополнительный вход для теплоносителя. Патрубки отвода сообщены с раздающей камерой теплоносителя, патрубки подвода - с кольцевым каналом между разделительной обечайкой и обечайкой активной зоны, а дополнительный вход - с кольцевым каналом между разделительной обечайкой и корпусом реактора. Контур охлаждения включает: турбомашинный преобразователь энергии, холодильник-излучатель, компрессор и циркуляционный трубопровод, соединяющий оборудование контура между собой и реактором через патрубки подвода и отвода. Технический результат: уменьшение градиента температур и повышение допускаемых напряжений на корпусе реактора. 3 ил.
Наверх