Автономный источник энергоснабжения для космического аппарата на базе паротурбинной установки Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Шепломассообменные процессы в конструкциях ЯЛ, энергетических.установоки систем жизнеобеспечения

УДК 629.7

АВТОНОМНЫЙ ИСТОЧНИК ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ ДЛЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА НА БАЗЕ ПАРОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ

А. О. Булов, А. И. Жиганов, Ю. Н. Шевченко

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

E-mail: [email protected]

Рассматривается вопрос проектирования автономных источников энергоснабжения для космических аппаратов на базе паротурбинных установок, работающих по циклу Ренкина для диапазонов до 500 Вт. Описывается конструкция и принципиальная схема установки.

Ключевые слова: автономный электрогенератор, цикл Ренкина.

AUTONOMOUS POWER SUPPLY SOURCE FOR SPACECRAFT BASED ON STEAM TURBINE UNIT

A. O. Bulov, A. I. Zhiganov, Y. N. Shevchenko

Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected]

This article covers the question of designing an autonomous power supply source for spacecraft based on steam turbine unit on Rankine cycle for ranges up to 500 watts. The construction and the device principle diagram are described.

Keywords: self-contained power generator, Rankine cycle.

Объектом исследования в настоящей работе выступают системы автономного энергоснабжения на базе паротурбинных установок, которые могут быть размещены на борту космического аппарата [1]. Такие системы предназначены для трансформации энергии тепловых источников различного происхождения в механическую и электрическую. Специфической особенностью подобных установок является использование в качестве рабочих тел низкокипящих органических жидкостей, обеспечивающих работоспособность системы в широком диапазоне температур [2]. Такие установки в настоящее время применяются преимущественно для диапазона мощностей 2-10 кВт [3].

Источником тепловой энергии для работы установок в условиях космического полета может служить солнечная энергия, радиоизотопные источники тепла, тепловыделения работающих приборов. В последнем случае возможна реализация комбинации системы автономного энергоснабжения с системой охлаждения оборудования космического аппарата [4].

Предлагаемая установка состоит из 5 элементов: конденсатор, испаритель, турбина, насос и генератор. Для работы используется вещество с низкой температурой кипения, например фреон. Рабочее тело кипит при нагревании от стороннего источника тепла, после чего пар срабатывается на турбине, приводя во вращение и ротор генератора. В зарубежной литературе такие схемы обозначаются ORC - organic Rankine cycle.

Особенность проектирования таких установок заключается в сложном расчете поведения рабочего

тела в элементах системы. Кроме того, в диапазоне малых (до 1 кВт) мощностей установки возникают сложности проектирования рабочих колес и создания положительного энергобаланса.

В качестве источника тепла в условиях космического полета можно использовать тепло от работающих приборов и оборудования или солнечное излучение.

Для расчета и анализа подобных установок с успехом может применяться аппарат математического моделирования [5; 6]. В рамках данной работы разрабатывается математическая модель установки, использующей в качестве источника тепла солнечную радиацию. В настоящее время создана экспериментальная установка мощностью до 500 Вт для проведения испытаний и получения данных для отработки алгоритма расчета. Турбина экспериментальной установки представлена ниже (см. рисунок).

Турбина экспериментальной установки

<Тешетневс^ие чтения. 2016

Проведение эксперимента и уточнение математической модели позволит найти оптимальные параметры подобных установок в диапазоне до 500 Вт. Кроме того, планируется доработка математической модели паротурбинной установки. Корректировке подвергнутся расчетные коэффициенты потерь, которые определяются при анализе экспериментальных данных. В результате на основе полученной модели предполагается проводить оптимизацию паротурбиной установки.

Библиографические ссылки

1. Ramon F. G. A Viable Megawatt-Class Space Power Plant under Rankine Cycle // J. of Energy and Power Engineering. 2012. № 6. P. 683-694.

2. Lahey R. T., Dhir V. Research in Support of the Use of Rankine Cycle Energy Conversion Systems for Space Power and Propulsion, NASA/ CR-2004-213142, July 2004. URL: http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/ casi.ntrs.nasa.gov/20040086725.pdf.

3. Tarlecki J., Lior N., Zhang N. (Evaluation of Some Thermal Power Cycles for Use in Space. Proc. ECOS 2006. Crete, Greece. 12-14 July 2006.

4. Делков А. В., Ходенков А. А., Шевченко Ю. H. Сравнение прямого и обратного цикла в системах терморегулирования космических аппаратов негерметичного исполнения // Вестник СибГАУ. 2014. № 4 (56). С. 154-159.

5. Гришутин М. М. Паротурбинные установки с органическими рабочими телами Л. : Машиностроение, 1988.

6. Разработка установок-утилизаторов низкопотенциального тепла на основе органического цикла

Ренкина / А. А. Кишкин, Д. В. Черненко, А. А. Ходенков, А. В. Делков, Ф. В. Танасиенко // Альтернативная энергетика и экология : междунар. науч. журн. 2013. № 14. С. 57-63.

References

1. Ramon F. G. A Viable Megawatt-Class Space Power Plant under Rankine Cycle // Journal of Energy and Power Engineering. 2012. № 6. P. 683-694.

2. Lahey R. T., Dhir V. Research in Support of the Use of Rankine Cycle Energy Conversion Systems for Space Power and Propulsion, NASA/CR-2004-213142, July 2004. URL: http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/ casi.ntrs.nasa.gov/20040086725.pdf.

3. Tarlecki J., Lior N. and Zhang N. (2006). Evaluation of Some Thermal Power Cycles for Use in Space. Proc. ECOS 2006. Crete, Greece. 12-14 July 2006.

4. Delkov A. V., Khodenkov A. A., Shevchenko Yu. N. Comparison of the forward and return cycle in thermoregulation systems of spacecraft untight performance // Journal of Siberian state aerospace University academician M. F. Reshetnev. 2014. № 4 (56). Р. 154-159.

5. Grishutin M. M. steam-Turbine plant with an organic working bodies), Leningrad : Mashinostroenie, 1988.

6. Razrabotka ustanovok-utilizatorov nizkopotent-sial'nogo tepla na osnove organicheskogo tsikla Renkina / Kishkin A. A., Chernenko D. V., Khodenkov A. A., Delkov A. V., Tanasiyenko F. V. (Russian Development of systems-low-grade heat recovery based on an organic Rankine cycle) // ISJAEE. 2013. № 14. P. 57-63.

© Булов А. О., Жиганов А. И., Шевченко Ю. Н., 2016

УДК 629.783

ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ТЕПЛОВОГО АККУМУЛЯТОРА ДЛЯ СИСТЕМЫ ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯ МОЩНЫХ БЛОКОВ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ

КРАТКОВРЕМЕННОГО ДЕЙСТВИЯ

Е. Н. Васильев1, В. А. Деревянко1*, В. Е. Чеботарев2

Федеральный исследовательский центр «Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук», Институт вычислительного моделирования СО РАН Российская Федерация, 660036, г. Красноярск, Академгородок, 50/44

2АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнёва» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52

*Е-таП: [email protected]

Представлен анализ применения тепловых аккумуляторов с гипертеплопроводящими пластинами в качестве ребер для обеспечения оптимальных тепловых режимов блоков радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов.

Ключевые слова: тепловой аккумулятор, теплоаккумулирующее вещество, гипертеплопроводящая пластина, тепловой режим, космический аппарат.