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.
