Ядерная энергетическая установка

Изобретение относится к атомной энергетике и ракетно-космической технике (РКТ) и может быть использовано при создании ядерных энергетических, двигательных и энергодвигательных установок для решения задач, связанных с доставкой космических аппаратов (КА) на орбиту функционирования и последующим длительным энергообеспечением аппаратуры КА, а также обеспечением экспедиций к дальним планетам и в дальний космос. Ядерные энергетические установки представляют интерес и как автономные энергоустановки для наземных и лунных станций.

Известна ядерная энергодвигательная установка (ЯЭДУ), разработанная для РКТ (патент RU №2276814, G21D 5/00, 20.05.2006, Бюл. 14), содержащая ядерный реактор, замкнутый контур системы машинного преобразования тепловой энергии ядерного реактора в электрическую, систему управления, электрогенератор с приводом от турбины и компрессора, контур электрического ракетного двигателя со своей системой хранения и подачи двигательного рабочего тела. Замкнутый контур системы машинного преобразования тепловой энергии в электрическую, кроме нагревателя (ядерного газоохлаждаемого реактора), турбины, компрессора и электрогенератора еще содержит холодильник и рекуператор, чтобы использовать в своей работе турбогенераторный термодинамический цикл, называемый иногда циклом Брайтона (см., например, А.А. Куландин, СВ. Тимашев, В.П. Иванов - Энергетические системы космических аппаратов, М., Машиностроение, 1971, с. 282-286). Единичные мощные агрегаты понижают вероятность безотказной работы и снижают общую надежность ЯЭДУ в целом.

Известна ядерная энергоустановка (ЯЭУ) с замкнутым газовым контуром (патент RU 2447524, G21D 3/00, 10.04.2012, Бюл. 10), в которой применено резистивное устройство (балластная нагрузка), подключаемое к электрогенератору с возможностью отключения для регулирования нагрузки на роторе генератора. При разгоне/раскрутке турбокомпрессора-генератора замкнутого газотурбинного контура и достижении на балластной нагрузке заданного уровня мощности последняя отключается с подключением полезной нагрузки ЯЭУ.

Известно устройство - ядерная энергодвигательная установка (патент RU 2533672, G21D 5/00, 20.11.2014, Бюл. 32) с несколькими парными замкнутыми газотурбинными контурами, роторы турбокомпрессор-генераторов которых вращаются встречно для обнуления гироскопического момента. ЯЭДУ 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) с средствами измерения и контроля. При этом система трубопроводов соединяет выход нагревателя - газоохлаждаемого ядерного реактора с выходом 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. Установка снабжена устройством изменения давления ГРТ и устройством обеспечения запуска. ЯЭДУ имеет систему преобразования и распределения электрической энергии, в которой каждый электрогенератор подключен к ЭРД своей группы и к равной ей по электрической мощности балластной нагрузке (БН), собранной из равных секций, соответствующих количеству ЭРД в группе. При наборе мощности загружается одна секция БН. При достижении мощности, требуемой для работы одного ЭРД, секция БН отключается, а мощность подается на ЭРД. На стационарном режиме работы под нагрузкой происходит постоянное отслеживание и регулирование выходных параметров ЯЭУ: напряжения, мощности, частоты, - за счет подключения/отключения секции балластной нагрузки. При этом БН работает под высоким рабочим напряжением ЭРД.

Основным недостатком обсуждаемого прототипа является тот факт, что каждый электрогенератор с замкнутым газотурбинным контуром образует свой энергетической модуль, подключенный через систему преобразования электроэнергии и коммутации к каждому ЭРД своей группы ЭРД и к равной ей по электрической мощности балластной нагрузке, или может быть подключен к своей полезной нагрузке.

Если двигательные и регулировочные части энергетического модуля могут работать эффективно внутри модуля, то полезная нагрузка в некоторых случаях может содержать устройство с мощностью, превышающей мощность одного энергетического модуля. Объединение энергетических модулей требует разработки дополнительных систем, причем в обсуждаемом прототипе такое объединение должно проводиться в цепях высокого напряжения ЭРД и БН. Это значительно снижает надежность таких дополнительных систем и ЯЭДУ в целом. Кроме того рабочее напряжение полезной нагрузки может не совпадать с имеющимся для ЭРД и БН, что вызовет двойное преобразование в системе электропитания.

Задачей предлагаемого изобретения является возможность применения в электропотребителях ЯЭУ КА полезной нагрузки с мощностью, равной полной мощности энергоустановки.

Техническим результатом, достигаемым при осуществлении заявленного изобретения, является возможность подачи удвоенной и более электрической мощности на одну полезную нагрузку. При этом электропитание реализуется на уровне фазного напряжения турбокомпрессор-генераторов относительно корпуса (условная «земля») КА.

Указанный технический результат достигается тем, что в ЯЭУ, содержащей не менее двух замкнутых газотурбинных контуров, каждый из которых составлен последовательно из общего нагревателя - ядерного газоохлаждаемого реактора, турбины, горячего тракта рекуператора, холодильника, компрессора и холодного тракта рекуператора посредством системы трубопроводов и магнитоэлектрического электрогенератора на газодинамических подшипниках, соосно связанного с турбиной и компрессором, а также устройство обеспечения запуска, устройство изменения давления, балластную нагрузку и систему автоматического управления со средствами измерения и контроля, статорные фазные обмотки электрогенераторов через устройства коммутации пофазно объединены электрическими шинами. В цепи каждой статорной фазной обмотки электрогенератора перед нулевой точкой «звезды» статорных фазных обмоток подключена первичная обмотка трансформатора тока с подстроечным конденсатором во вторичной цепи и к выходным клеммам статорных фазных обмоток электрогенератора подключена балластная нагрузка.

При этом подстроечный конденсатор может быть выполнен в виде набора индивидуально коммутируемых конденсаторов различного номинала. Кроме того, номинальная электрическая мощность электрогенератора может превышать номинальную мощность замкнутого газотурбинного контура в 1,3÷2,0 раза, и электрогенератор может быть дополнительно снабжен устройством аварийного торможения ротора.

На электрических шинах переменного тока формируется полная электрическая мощность ЯЭУ. Потребители, каждый со своим преобразователем электропитания, работают от общих шин под управлением и контролем САУ. Автономная отработка потребителей с их преобразователями электропитания повышает надежность функционирования потребителей и в целом ЯЭУ. Один из потребителей - полезная нагрузка может иметь мощность, сравнимую с полной мощностью ЯЭУ.

При этом каждый электрогенератор предварительно настроен при номинальном режиме работы на требуемый уровень выходного напряжения на выходных клеммах статорных фазных обмоток электрогенератора посредством регулировки подстроенных конденсаторов, включенных через трансформаторы тока в каждую статорную фазную обмотку электрогенератора перед нулевой точкой «звезды» статорных фазных обмоток. Величина емкости подстроенных конденсаторов рассчитывается для номинальной мощности замкнутого газотурбинного контура. Проведенная настройка устраняет перетоки энергии между электрогенераторами из-за неравенства выходных напряжений при последующем совместном разгоне и параллельной работе на номинальном режиме в составе ЯЭУ.

К статорным фазным обмоткам электрогенератора, т.е. на уровне фазного или линейного напряжения, подключена балластная нагрузка в виде набора индивидуально коммутируемых резисторов различного номинала, величина суммарной мощности которых рассчитывается для номинальной мощности замкнутого газотурбинного контура. Набор резисторов необходим при автономных настройках электрогенератора и на запуске ЯЭУ при наборе номинальной мощности и на промежуточных по мощности режимах работы энергопотребителей, когда остальная часть до номинальной мощности ЯЭУ должна поглощаться подобранными резисторами, служащими балластной нагрузкой.

Возможно выполнение подстроенного конденсатора в виде набора индивидуально коммутируемых конденсаторов, что позволяет дополнительно вносить коррективы в величины подключаемых номиналов конденсаторов из набора при промежуточных по мощности режимах работы ЯЭУ, если это будет необходимо.

Для повышения устойчивости работы ЯЭУ при возможных резких изменениях режима (например, короткое замыкание в энергопотребителях, переходные изменения параметров при переключениях и пр.) возможно иметь запас номинальной электрической мощности электрогенератора над номинальной мощностью газотурбинного контура в 1,3÷2,0 раза.

Для устранения возможного развития аварийного режима с раскруткой ротора электрогенератора при "потере" нагрузки предусмотрено устройство аварийного торможения ротора.

Таким образом, после запуска ЯЭУ и выхода на номинальный режим полная электрическая мощность подана на общие электрические шины переменного тока с заданной частотой и напряжением. При этом регулирование и коммутация проводятся на уровне линейного и фазного напряжения электрогенератора, что значительно повышает надежность функционирования ЯЭУ, в том числе при длительной эксплуатации.

На фиг. 1, 2 приведена структурная схема ЯЭУ: на фиг. 1 - электрическая часть, на фиг. 2 - пневмогидравлическая часть. Связь электрической части с газодинамической частью ЯЭУ происходит по соосной системе ТКГ: турбина, компрессор, электрогенератор.

На фиг. 1 и 2 представлены следующие обозначения: 1 - турбина, 2 - компрессор, 3 - электрогенератор, 4 - набор индивидуально коммутируемых резисторов, 5 - подстроенный конденсатор или набор индивидуально коммутируемых конденсаторов во вторичной цепи трансформатора тока, подключенного в цепи каждой статорной фазной обмотки электрогенератора перед нулевой точкой «звезды», 6 - устройство коммутации, 7 - устройство обеспечения запуска, 8 - устройство аварийного торможения ротора, 9 - общие шины переменного тока, 10 - энергопотребители ЯЭУ, 11 - нагреватель - газоохлаждаемый ядерный реактор, 12 - рекуператор, 13 - холодильник, 14 - задвижка, 15 - перепускной клапан, 16-дроссель, 17 - вспомогательный холодильник, 18 - устройство изменения давления.

Статорные фазные обмотки электрогенераторов 3 пофазно объединены электрическими шинами 9. От шин 9 получают электропитание все энергопотребители 10. Например, при 1000 Гц шины 9 могут быть выполнены наборными из медных изолированных проводников диаметром не более 2 мм из-за скин-слоя. В цепи каждой статорной фазной обмотки электрогенератора 3 перед нулевой точкой «звезды» статорных фазных обмоток подключена первичная обмотка трансформатора тока с подстроенным конденсатором во вторичной цепи, являющимся устройством для регулирования реактивной мощности и уравнивания выходного напряжения электрогенераторов. Использование трансформатора тока дополнительно способствует уменьшению номинала, габаритов и массы конденсаторов, например, с коэффициентом трансформации 10 значение требуемой емкости уменьшается в 100 раз (при этом напряжение на конденсаторах увеличивается в 10 раз).

Существующие конструкции высокооборотного синхронного магнитоэлектрического электрогенератора с возбуждением от постоянных высококоэрцитивных магнитов имеют низкую жесткость внешней характеристики, доходящей до 23% (разница между напряжением холостого хода и напряжением при номинальной нагрузке при номинальной частоте вращения ротора). Выравнивание значения напряжения к заданному на статорных обмотках электрогенератора проводят корректировкой реактивной мощности за счет изменения емкостной составляющей тока от включенного в цепь статорной фазной обмотки электрогенератора 3 емкостного сопротивления подстроенного конденсатора 5. Значение емкости подстроенных конденсаторов рассчитывается для номинальной мощности замкнутого газотурбинного контура.

В силу идентичности конструкции электрогенераторов и замкнутых газотурбинных контуров с общим нагревателем поведение ТКГ в переходных режимах практически одинаковое, что способствует минимизации перераспределения активных и реактивных мощностей между параллельно работающими электрогенераторами в переходных режимах ЯЭУ.

При статическом регулировании параллельно работающих электрогенераторов в систему управления каждого ТКГ вводится линейная зависимость частоты вращения ротора ТКГ от активной мощности нагрузки, в виде наклонной линии. Обеспечивая идентичность вводимых линейных зависимостей для каждого ТКГ с автономной системой управления, становится возможной параллельная работа электрогенераторов на общую нагрузку без организации дополнительных связей и без объединенной системы управления. Благодаря совпадению зависимости частоты и зависимости напряжения (линейно связанного с частотой для магнитоэлектрических генераторов) от активной мощности каждого электрогенератора распределение мощностей между электрогенераторами, параллельно работающими на общую нагрузку, будет осуществляться равномерно.

К выходным клеммам статорных фазных обмоток каждого электрогенератора 3, т.е. на уровне фазного или линейного напряжения, подключена балластная нагрузка 4 в виде набора индивидуально коммутируемых резисторов различного номинала, являющегося устройством для регулирования активной мощности и частоты переменного тока электрогенератора при изменении полезной мощности и представляющего собой низковольтную регулируемую трехфазную нагрузку. САУ осуществляет коммутацию резисторов таким образом, чтобы электрическая мощность электрогенератора 3 была всегда номинальной, т.е. чтобы в любой момент времени равная доля от суммы мощностей включенных энергопотребителей 10 и сумма мощностей включенных резисторов из набора 4 была равна номинальной мощности замкнутого газотурбинного контура.

Набор 4 индивидуально коммутируемых резисторов сформирован с возможностью получения любой электрической мощности во всем диапазоне от холостого хода до номинальной мощности замкнутого газотурбинного контура. Принцип формирования заключаются в подборе номинала резисторов с мощностью, кратной 2. Например, при номинальной мощности 256 кВт, первая секция трехфазных резисторов имеет мощность 256/2=128 кВт; вторая секция имеет мощность 128/2=64 кВт и т.д. до выбранной минимальной мощности последней секции. Последняя секция влияет также на точность поддержания частоты на установившемся режиме работы ЯЭУ. Суммарная мощность набора 4 равна 256 кВт.

При наличии дополнительных требований к минимальному отклонению изменения напряжения на нагрузке во всем диапазоне мощностей ЯЭУ и в переходных и промежуточных процессах включения/выключения различных режимов ЯЭУ, возможно применить набор индивидуально коммутируемых конденсаторов различного номинала. Суммарная мощность набора конденсаторов рассчитывается для номинальной мощности замкнутого газотурбинного контура. При этом, однако, увеличатся габариты и масса ЯЭУ.

Электрогенераторы 3, предназначенные для параллельной работы, желательно должны быть спроектированы таким образом, чтобы запас номинальной электрической мощности электрогенератора над номинальной мощностью замкнутого газотурбинного контура составлял 1,3÷2,0 раза. В этом случае для всех режимов работы ЯЭУ, в том числе переходных, для каждого электрогенератора величина угла Θ между вектором ЭДС и вектором напряжения будет меньше угла 90 эл. градусов. Это вызвано тем, что в диапазоне (0÷90) эл. градусов активная мощность растет, а в диапазоне (90÷180) эл. градусов активная мощность падает. Превышение, в том числе кратковременное, угла 90 эл. градусов, определяемое разностью между раскручивающим моментом турбокомпрессора и тормозным моментом электромагнитной системы электрогенератора, работающего параллельно с другими электрогенераторами на общую нагрузку, приводит к снижению тормозного момента электрогенератора и дальнейшему увеличению угла с выходом электрогенератора из синхронизма и к развитию аварийной ситуации. Устойчивость системы, состоящей из нагрузки и параллельно работающих генераторов, будет сохраняться при углах Θ электрогенераторов, меньших 90 эл. градусов. Это достигается наличием запаса номинальной электрической мощности электрогенератора над номинальной мощностью замкнутого газотурбинного контура Отношение номинальной электрической мощности электрогенератора к мощности нагрузки - номинальной мощности замкнутого газотурбинного контура образует коэффициент статической перегружаемое™ синхронной машины. На угловой характеристике активной мощности синхронного генератора названный коэффициент Кп отображается рабочей точкой на положительной части синусоиды в пределах угла 0°≤Θ≤180°. Кп=2,0 соответствует углу 30° и линейному участку синусоиды, при этом имеем двойной запас по электрической мощности, который превышать далее нецелесообразно. Кп=1,3 соответствует углу 50° и начинающемуся нелинейному участку синусоиды, приближаться далее к которому нежелательно из-за увеличивающегося риска при малом возмущении по мощности достигнуть угла Θ=90° или превысить его.

Каждый электрогенератор 3 снабжен устройством 8 аварийного торможения ротора. Потеря нагрузки, например, при обрыве в цепях или короткого замыкания, приводит к несанкционированному увеличению частоты вращения ротора ТКГ. Кроме срабатывания коммутационного устройства 6, отключающего аварийный ТКГ от системы общих шин, необходимым является формирование минимальной нагрузки для ограничения частоты вращения ротора аварийного ТКГ в безопасном пределе. Устройство 8 реализует разрыв «звезды» нейтрали электрогенератора, межфазное подключение в разрыв резисторных элементов, например, элементов несущей рамы, и одновременное образование новой «звезды» на выходных клеммах электрогенератора 3, одновременно формируется команда на срабатывание задвижки 14, отсекающей аварийный газотурбинный контур.

В целом, работа ЯЭУ происходит следующим образом. ЯЭУ содержит замкнутые газотурбинные контуры, каждый из которых составлен последовательно из общего нагревателя - ядерного газоохлаждаемого реактора 11, турбины 1, горячего тракта рекуператора 12, холодильника 13, компрессора 2 и холодного тракта рекуператора 12 и снова нагревателя 11 посредством трубопроводов и магнитоэлектрического электрогенератора 3, соосного с турбиной 1 и компрессором 2. При этом дополнительно: задвижка 14 служит для отсечки каждого контура от нагревателя 11, перепускной клапан 15 - для регулирования мощности ЯЭУ перепуском газообразного рабочего тела от выхода компрессора 2 на выход турбины 1, дроссель 16 - для ограничения расхода рабочего тела через вспомогательный холодильник 17 на охлаждение электрогенератора 3, 18 - для изменения давления в замкнутых газотурбинных контурах.

Первоначально замкнутые газотурбинные контуры заполнены газообразным рабочим телом при малом давлении. Устройство обеспечения запуска 7 раскручивает электрогенераторы 3 в режиме электромоторов до начальной частоты вращения, и через общие оси раскручивает турбины 1 и компрессоры 2. Нагреватель 11 выводится на начальный уровень тепловой мощности и начинает прогревать газообразное рабочее тело ЯЭУ. С увеличением температуры разогрева газообразного рабочего тела увеличивается мощность работы каждой из турбин 1. Когда мощность турбины 1 превысит затраты на работу компрессора 2 и сопутствующие потери, происходит "самоподхват" и каждый замкнутый газотурбинный контур начинает работать в режиме генерации электроэнергии; устройство обеспечения запуска 7 отключается. При дальнейшей работе увеличиваются до номинальных значений: частота вращения роторов 1-2-3, давление в замкнутых газотурбинных контурах устройством изменения давления 18, температура нагрева рабочего тела нагревателем 11 соответствующим увеличением его мощности, значение активной мощности электрогенераторов 3, подключенных на балластные нагрузки - наборы 4 коммутируемых резисторов, с откорректированным равным выходным напряжением электрогенераторов 3 посредством подстроенных конденсаторов 5. При достижении номинальной мощности ЯЭУ переходит в установившийся режим работы на активную балластную нагрузку из наборов 4 резисторов и готова предоставлять электропитание по шинам 9 любому из потребителей 10, вплоть до подачи полной мощности ЯЭУ на один потребитель, имеющий мощность, сравнимую с полной мощностью ЯЭУ, что и является ее основным преимуществом.

В настоящий момент по данному изобретению проводятся вариантные проработки схемы и отработка отдельных агрегатов.