本发明涉及一种核动力发动机装置,尤其涉及一种核动力螺旋桨式航空发动机,属于核反应堆工程技术、动力装置设计领域。
背景技术:
核反应堆是一种将原子核裂变能转换成热能的装置。根据冷却剂种类不同,反应堆种类可大致分为水冷堆、气冷堆和液态金属冷却反应堆。气冷快堆能够实现较高的堆芯出口温度,反应堆效率高,且重量体积较小。氦氙混合气体热力学性能优秀,传热能力高,二者以适当比例混合时能够获得较好的气体压缩性能,适合作为气冷快堆的冷却剂。
布雷顿循环是一种依靠运动部件实现热能向其他形式能量转化的热力学循环。完整的理想布雷顿循环过程中,低温低压气体在压缩机中绝热压缩,被回热器高温侧流体预热后进入反应堆,等压吸热升温后进入涡轮机绝热膨胀做功,带动发电机发电,做功后的高温气体冷却剂经回热器低压侧流体等压放热冷却后,再由冷却器等压放热冷却至所需的压缩机入口温度,进入压缩机形成闭式循环。总体而言,布雷顿循环装置结构简单、体积小,循环效率显著高于静态能量转换,适合移动式装备搭载。
传统通用飞机大多采用螺旋桨作为动力装置,以螺旋桨旋转时所产生的力作为飞机前进的推进力,具有油耗低、易操作、高效率、气动性能好等优点。在对螺旋桨特性及飞机机翼型式进行针对性优化设计后能够达到较强的飞行性能,实现优秀的发动机成本效益。
目前,飞机螺旋桨一般与活塞发动机或燃气涡轮发动机相结合。活塞发动机依靠活塞的往复运动实现功率输出,具有原理直接、结构简单、成本低廉等特点,其受制于气缸数量和气缸容量,功率一般限制在四千马力以下,一般只适合用于小型飞机。燃气涡轮发动机相较于活塞式发动机减少了往复运动的部件,运转稳定性提高,噪音水平下降,最大功率可超过一万马力,能够适用于大中型飞机。但由于自身燃油携带重量的限制,飞行器的长时滞空能力较为一般,对于长航程任务的适用性存在缺陷,极大限制了飞行器执行任务的时间、类型和能力。
技术实现要素:
本发明的目的是提供一种轻小紧凑、适用性强、安全可靠的核动力螺旋桨式航空发动机,该装置能够克服活塞动力装置运行功率较低、燃气涡轮动力装置续航里程有限的问题。
本发明的目的是这样实现的:包括固定基座以及安装在固定基座上的反应堆系统、能量转换系统、动力输出系统,反应堆系统通过管路与能量转换系统相连,构成直接布雷顿循环;能量转换系统以机械传动的方式将动力传递至动力输出系统;所述反应堆系统包括反应堆本体及连接管路,反应堆本体包括压力容器、堆芯、控制棒及其驱动机构、堆内构件;能量转换系统有两个能量转换系统包括透平、回热器、冷却器、压缩机以及连接管路,两个能量转换系统共用一台回热器及冷却器,透平通过堆芯出口热管段接管与压力容器连接,回热器为表面式回热器,回热器高温侧连接透平出口和冷却器入口,回热器低温侧连接反应堆冷管段和压缩机出口,两侧工质的流动方向相反;冷却器为表面式冷却器,冷却剂在冷却器内部管路中流动,环境空气在管路外部流动,外部空气和管内冷却剂流向相反;动力输出系统包括传动轴、离合器、减速器、螺旋桨,离合器为摩擦式离合器,离合器动力输入端连接压缩机,动力输出端连接传动装置的传动轴;减速器为齿轮减速器,传动轴作为动力输入端,输出端连接螺旋桨。
本发明还包括这样一些结构特征:
1.反应堆燃料选择高富集度的陶瓷型uo2燃料或un燃料;冷却剂使用氦氙混合气体,摩尔质量为10~45g/mol。
2.透平为氦氙混合气体透平,透平可以使用多级轴流式或单级离心式。
3.所述压缩机根据具体设计指标可选择轴流式压缩机或离心式压缩机,系统使用单台或多台压缩机完成气体压缩。
4.所述透平、压缩机和离合器采用水平同轴布置。
5.发动机在运行时,经过压缩机及回热器的冷却剂通过反应堆入口冷管段接管流入反应堆堆芯,经过反应堆燃料加热后由热管段流出堆芯,进入能量转换系统;冷却剂经反应堆热管段流出后进入透平中膨胀做功,做功后从透平出口经管道进入回热器高温侧,在回热器中与压缩机回流至反应堆的冷却剂进行充分换热,热量由高温气体冷却剂向冷却压缩后低温的冷却剂传递,实现高温气体冷却剂降温与回流至堆芯的冷却剂升温;换热后的冷却剂由回热器出口接管流入冷却器,冷却器通过管道与大气直接相连,大气作为最终热阱对冷却剂实施冷却;经过冷却的冷却剂由冷却器出口接管进入压缩机,冷却剂在压缩机中压缩后由压缩机出口接管流出,再次进入回热器低温侧,在回热器中被透平出口高温气体冷却剂加热,随后经过反应堆冷管段回流至堆芯,完成整个布雷顿循环;发动机工作时,同轴布置的压缩机通过压缩机-离合器传动轴驱动离合器,离合器以适当的扭矩将能量转换系统的动力传递至离合器-减速器传动轴,减速器实现扭矩的进一步调节后通过减速器-螺旋桨传动轴驱动螺旋桨发动机转动,驱动飞行器运动。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:本发明通过布雷顿能量转换系统实现了由反应堆裂变能到热能到机械能的转化,通过离合器、传动轴、减速器组成的动力输出系统将能量直接传递到螺旋桨,系统的能量利用过程简捷直接。完全使用机械式传动结构,各子系统成熟度高,系统整体简单可靠;发动机运行过程中,通过离合器与减速器的配合,能够确保螺旋桨转速维持在最佳速度区间,而反应堆功率不做大幅调节,该特性能够在保证系统响应速度情况下降低反应堆对负荷跟踪能力的要求,大幅降低反应堆控制系统动作频率,减小温度频繁变化对结构材料带来的热冲击,从而延长反应堆系统寿命;布雷顿能量转换系统的循环工质采用氦氙混合气体,热力学性能优秀,可压缩性良好,保证了反应堆出口较高的温度参数,同时有效降低了对压缩机级数的限制,使核动力发动机能量转换系统整体紧凑,确保系统在飞行器中良好的适装性;根据具体工程需求,可以做到单条或多条布雷顿循环回路驱动单台螺旋桨,确保即使一条布雷顿循环回路出现故障时,发动机仍能做到不失去动力,保证系统运行安全性。
附图说明
图1为本发明的核动力发动机系统结构正视图;
图2为本发明的核动力发动机系统结构俯视图;
图3为系统原理图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
结合图1~2,本发明提供一种核动力螺旋桨式航空发动机,包括反应堆系统、能量转换系统、动力输出系统以及连接管路。反应堆系统通过管路与能量转换系统相连,构成直接布雷顿循环;能量转换系统以机械传动的方式将动力传递至动力输出系统。反应堆包括压力容器1、堆芯燃料2、控制棒及其驱动机构3、一条堆芯入口冷管段接管15以及两条堆芯出口热管段接管8。压力容器1通过堆芯入口冷管段接管15连接回热器5的堆芯出口侧,通过反应堆出口热管段接管8与透平4入口相连。控制棒及控制棒驱动机构3位于反应堆压力容器1的端部,工作时驱动机构通过电力驱动控制棒移动,调节反应堆功率,燃料棒2位于压力容器内部,正常工作时由冷却剂带走核燃料裂变所释放出的热量。发动机在运行时,经过压缩机及回热器的冷却剂通过反应堆入口冷管段接管15流入反应堆堆芯,经过反应堆燃料加热后由热管段8流出堆芯,进入能量转换系统。两条堆芯出口热管段接管8分别连接两套独立的能量转换系统,运行过程中任何一个独立系统发生故障,另外一个系统仍能保证正常运作,完成能量转换。
单个能量转换系统包括透平4、回热器5、冷却器6、压缩机7、透平-压缩机传动轴16以及连接管路。透平为氦氙混合气体透平,透平采取卧式水平布置,经堆芯加热后的冷却剂直接流入透平膨胀做功;回热器为表面式回热器,回热器高温侧连接透平出口和冷却器入口,回热器低温侧连接反应堆冷管段和压缩机出口,两侧工质的流动方向相反;冷却器为表面式冷却器,冷却剂在冷却器内部管路中流动,环境空气在管路外部流动,外部空气和管内冷却剂流向相反;其中,两个能量转换系统共用一台回热器5及冷却器6。冷却剂经反应堆热管段流出后进入透平4中膨胀做功,做功后从透平出口经管道9进入回热器高温侧,在回热器中与压缩机回流至反应堆的冷却剂进行充分换热,热量由高温气体冷却剂向冷却压缩后低温的冷却剂传递,实现高温气体冷却剂降温与回流至堆芯的冷却剂升温。表面式回热器中冷、热冷却剂彼此物理隔离,二者流向相反以实现高效换热。换热后的冷却剂由回热器出口接管10流入冷却器6,冷却器通过管道11、12与大气直接相连,大气作为最终热阱对冷却剂实施冷却。冷却器为一表面式换热器,空气经由进口接管11进入,在对冷却剂实施冷却后由出口接管12排出,热量由需要冷却的高温冷却剂向温度较低的环境空气传递,外部冷却空气的流动方向与内部冷却剂的流动方向相反,以此达到良好的换热效果。经过冷却的冷却剂由冷却器出口接管13进入压缩机7,冷却剂在压缩机中压缩后由压缩机出口接管14流出,再次进入回热器低温侧,在回热器中被透平出口高温气体冷却剂加热,随后经过反应堆冷管段15回流至堆芯,完成整个布雷顿循环。
动力输出系统包括离合器18、减速器20、螺旋桨发动机22、压缩机-离合器传动轴17、离合器-减速器传动轴19以及减速器-螺旋桨传动轴21。离合器为摩擦式离合器,离合器动力输入端连接压缩机,动力输出端连接传动装置的传动轴;减速器为齿轮减速器,传动轴作为动力输入端,输出端连接螺旋桨。反应堆作为发动机系统的能量源,系统运行所需的机械能全部从反应堆核裂变能量转化而来。透平做功与压缩机耗功之差作为系统输出功,以机械传动的型式驱动螺旋桨发动机工作。发动机工作时,同轴布置的压缩机7通过压缩机-离合器传动轴17驱动离合器18,离合器18以适当的扭矩将能量转换系统的动力传递至离合器-减速器传动轴19,减速器20实现扭矩的进一步调节后通过减速器-螺旋桨传动轴21驱动螺旋桨发动机22转动,驱动飞行器运动。
结合图3,系统工作原理为:气体冷却剂在反应堆内吸热,之后进入透平做功,紧接着进入回热器高温侧放热,与低温侧冷却剂充分换热后流出回热器进入冷却器,在冷却器中继续放热,之后进入压缩机压缩,经压缩后大部分冷却剂再次进入回热器,吸热后回流进入堆芯。压缩机旋转带动离合器运动,离合器通过传动轴与减速器相连,二者共同完成扭矩调节后,减速器驱动螺旋桨发动机旋转。
本发明的核动力螺旋桨式航空发动机通过简捷直接的动力传输过程实现了反应堆裂变能与热能与机械能的高效转化。离合器与减速器等组成的动力输出系统根据运行工况不同,通过不同齿比的齿轮相互啮合,能够保证飞行器在不同的运动状况下传递给发动机适量的驱动力和扭矩;离合器与减速器提供的双重扭矩调节能够保证系统在各种工况情况下的负荷跟踪准确度和灵敏度,避免了反应堆控制系统频繁动作对驱动机构寿命的不利影响,同时减轻反应堆回路材料所受的热冲击;能量转换系统采用了换热性能和做功能力优良的氦氙混合气体作为工质,热力学性能好,可压缩性强,确保能量转换系统体积小、重量轻,系统的紧凑性高,在不同飞行器上的适配性强;两条回路布置为系统提供了较高的冗余度,两条回路各自具备单独工作能力,避免了单系统失效的风险,极大提高了系统运行的安全性及稳定性。
1.一种核动力螺旋桨式航空发动机,其特征在于:包括固定基座以及安装在固定基座上的反应堆系统、能量转换系统、动力输出系统,反应堆系统通过管路与能量转换系统相连,构成直接布雷顿循环;能量转换系统以机械传动的方式将动力传递至动力输出系统;所述反应堆系统包括反应堆本体及连接管路,反应堆本体包括压力容器、堆芯、控制棒及其驱动机构、堆内构件;能量转换系统有两个能量转换系统包括透平、回热器、冷却器、压缩机以及连接管路,两个能量转换系统共用一台回热器及冷却器,透平通过堆芯出口热管段接管与压力容器连接,回热器为表面式回热器,回热器高温侧连接透平出口和冷却器入口,回热器低温侧连接反应堆冷管段和压缩机出口,两侧工质的流动方向相反;冷却器为表面式冷却器,冷却剂在冷却器内部管路中流动,环境空气在管路外部流动,外部空气和管内冷却剂流向相反;动力输出系统包括传动轴、离合器、减速器、螺旋桨,离合器为摩擦式离合器,离合器动力输入端连接压缩机,动力输出端连接传动装置的传动轴;减速器为齿轮减速器,传动轴作为动力输入端,输出端连接螺旋桨。
2.根据权利要求1所述的一种核动力螺旋桨式航空发动机,其特征在于:反应堆燃料选择高富集度的陶瓷型uo2燃料或un燃料;冷却剂使用氦氙混合气体,摩尔质量为10~45g/mol。
3.根据权利要求1所述的一种核动力螺旋桨式航空发动机,其特征在于:透平为氦氙混合气体透平,透平可以使用多级轴流式或单级离心式。
4.根据权利要求1所述的一种核动力螺旋桨式航空发动机,其特征在于:所述压缩机根据具体设计指标可选择轴流式压缩机或离心式压缩机,系统使用单台或多台压缩机完成气体压缩。
5.根据权利要求1所述的一种核动力螺旋桨式航空发动机,其特征在于:所述透平、压缩机和离合器采用水平同轴布置。
6.根据权利要求1-5任意所述的一种核动力螺旋桨式航空发动机,其特征在于:发动机在运行时,经过压缩机及回热器的冷却剂通过反应堆入口冷管段接管流入反应堆堆芯,经过反应堆燃料加热后由热管段流出堆芯,进入能量转换系统;冷却剂经反应堆热管段流出后进入透平中膨胀做功,做功后从透平出口经管道进入回热器高温侧,在回热器中与压缩机回流至反应堆的冷却剂进行充分换热,热量由高温气体冷却剂向冷却压缩后低温的冷却剂传递,实现高温气体冷却剂降温与回流至堆芯的冷却剂升温;换热后的冷却剂由回热器出口接管流入冷却器,冷却器通过管道与大气直接相连,大气作为最终热阱对冷却剂实施冷却;经过冷却的冷却剂由冷却器出口接管进入压缩机,冷却剂在压缩机中压缩后由压缩机出口接管流出,再次进入回热器低温侧,在回热器中被透平出口高温气体冷却剂加热,随后经过反应堆冷管段回流至堆芯,完成整个布雷顿循环;发动机工作时,同轴布置的压缩机通过压缩机-离合器传动轴驱动离合器,离合器以适当的扭矩将能量转换系统的动力传递至离合器-减速器传动轴,减速器实现扭矩的进一步调节后通过减速器-螺旋桨传动轴驱动螺旋桨发动机转动,驱动飞行器运动。
技术总结