目前,航天器使用的空间电源有3类:化学电池、太阳能电池阵和核电源。绝大部分航天任务以化学能和太阳能为主要能源形式^[1]。传统的化学电池虽然结构简单,工作可靠,但工作寿命短,低温性能差,功率较小。太阳能电池阵技术成熟,性能可靠,工作寿命长,但太依赖光照条件,展开面积过大且生产能力较差。因此,具有高能量密度、高比冲和大推力等技术优势的空间核推进技术是进行深空探测的理想选择^[2]。

20世纪60年代开始,美国和俄罗斯就启动了空间堆电源的相关研究工作^[3-8]。其中,20世纪60年代NASA研制的10 kWe和2 kWe闭式布雷顿系统旋转单元转速为36 000 r/min,热电转换效率为25%,完成了3 000 h的可靠性测试工作。20世纪80年代设计的25 kWe自由号空间站电源系统,能源转换效率为27%,转速为32 000 r/min。2003年,在普罗米修斯计划支持下,格伦研究中心研制出2 kWe布雷顿循环样机^[9],分别在转速30 000 r/min和40 000 r/min下,完成了性能测试、动态测试及热分析测试。

国内,田志涛等^[10-11]以40 g/mol的氦氙混合气为介质,提出了单级总压比为2.3,等熵效率达到88%的压气机设计方法并进行了验证; 还解决了高负荷氦气压气机叶顶泄漏问题。我国空间核电动力装置方面处于起步阶段,相关文献资料较少。目前研究主要集中在系统热力学特性^[12-15]、布雷顿系统仿真优化^[16-18]和驱动单元的控制仿真^[19],而驱动单元结构设计和分析的相关技术研究却是空白。本文以10 kWe空间堆闭式布雷顿系统驱动单元为研究对象,以特定流量、压力、功率、效率作为设计依据,进行压气机和涡轮气动与结构设计。无油支撑技术无疑是驱动单元的核心技术,由气箔轴承、叶轮、拉杆等组成的拉杆转子系统的动力学特性是整个布雷顿系统调速控制的关键因素之一。

10 kWe空间堆闭式布雷顿系统[见图1(a)]采用He-Xe混合气作为工质,电动机置于压气机前端进行冷却,驱动单元通过特殊联轴器与电动机联接。驱动单元结构设计如图1(b)所示,主要由压气机叶轮、拉杆转子、径向气箔轴承、止推轴承、轴承套、调整垫、止推盘、迷宫密封、涡轮叶轮、蜗壳和锁紧螺母等组件组成。

图1 闭式布雷顿循环系统及驱动单元
Fig.1 Closed Brayton cycle system and drive unit

驱动单元采用无油支承技术和高效率叶轮,不仅简化了系统结构,还提升了驱动单元效率。叶轮作为做功单元,气动性能直接影响系统的效率。气箔轴承作为新型的气体动压轴承,具有较好的弹性,能对载荷做出自适应的调整。因此,准确获取径向气箔轴承静、动态特性的变化规律才能准确计算拉杆转子的临界转速。

选取比转速在0.5～2之间的离心压缩机进行设计,通过一维热力计算,对压气机叶轮部分结构参数进行快速分析,得到进口轮毂比和叶轮出口的宽度等参数对性能的影响,再进行三维造型和流场数值计算,确定叶片数和叶轮的轴向长度,包括叶片角度分布等参数。通过建立涡轮一维结构模型,固化对性能影响较小的参数(如喷嘴的结构尺寸),再重点研究对气动性能影响较大的叶轮结构参数。流量控制通过控制喷嘴出口的高度和角度,对叶轮各参数进行研究归整。根据一维设计得到的参数,进行三维几何造型及三维CFD仿真分析和优化,得到最终的涡轮参数。

转速的选择直接影响到各组件的设计参数,主要考虑因素有:

1)满足轴系的转子动力学设计要求;

2)保证气箔轴承和迷宫密封的工作条件;

3)尽可能提高整机效率;

4)尽可能减小驱动单元的质量;

5)保证叶轮强度要求。

压气机设计转速选取为43 000 r/min,设计模型采用带分流叶片的离心式叶轮、翼型叶片式扩压器和偏置型圆形蜗壳。

图2为模型的网格,在叶轮间隙及各边界层网格进行相应的加密处理。表1为额定工况下压气机的三维性能仿真计算结果。额定工况下压气机流量为504.3 g/s,考虑加工、仿真和实验偏差,相比设计指标预留一定裕量,此时压比为1.814,效率为0.832,气动消耗功率为38.4 kW。

图2 压气机壳体网格模型
Fig.2 Grid model of compressor shell

表1 额定工况下压气机性能
Tab.1 Compressor performance under rated operating condition

图3为压气机叶轮应力和应变分析。经计算,额定工况下叶轮最大等效应力为531.46 MPa,最大应力处位于回流孔出口,此时叶轮的安全系数为1.57。考虑温度及离心变形对叶轮的影响,进口叶尖最大径向变形为0.13 mm,出口叶尖最大轴向变形为0.09 mm。

图3 压气机叶轮强度分析
Fig.3 Strength analysis of compressor impeller

径向涡轮由集气室、蜗壳、喷嘴和叶轮等结构部件组成。依据设计参数和约束参数,建立一维结构模型,固化对性能影响较小的参数。对气动性能影响较大的叶轮参数,即子午流道、叶片数、叶片厚度和角度、喷嘴出口的高度和角度、出口扩压器不同扩张角及蜗壳喉部面积进行性能分析。

图4为模型的网格,喷嘴通道网格中为结构网格,蜗壳网格为非结构网格。表2为额定工况下涡轮仿真性能计算结果,从表中可知,在额定工况下,涡轮效率达到0.882。

图4 涡轮壳体网格模型
Fig.4 Grid model of turbine shell

表2 额定工况下涡轮性能
Tab.2 Turbine performance under rated condition

涡轮叶轮强度分析如图5所示,额定工况下最大等效应力为516.98 MPa,位于叶片根部中间及偏向叶片出口尾缘位置。涡轮叶轮安全系数为1.3。最大径向变形位置位于叶轮进口后盖板及叶片前缘处,最大变形量约1 mm。

图5 涡轮叶轮强度分析
Fig.5 Strength analysis of turbine impeller

转子系统所受轴向力主要有压气机端轴向力和涡轮端轴向力的合力。压气机端轴向力由施加在进气面的力、叶轮子午面的力、叶轮上的脉冲力和叶轮后盖板的作用力组成。涡轮端轴向力与压气机端组成相同,方向相反。

驱动单元具有沿轴向结构分布对称特点,轮盘两侧因介质压力差异引起的轴向力不同,故在额定工况时所受轴向力最大,经FLUENT计算最大轴向力为42 N,指向压气机端。因此,止推轴承只需承担两端叶轮及密封条件不完全相同所带来的微小轴向力。

止推箔片轴承的Reynolds方程建立在柱坐标系下,采用有限差分法进行求解。图 14描述了额定工况下止推轴承的承载特性,轴向力和摩擦功随气膜厚度的增大而减小,最大轴向力时止推轴承满足使用要求。此外,由于止推轴承成对装配,在保证整机效率同时,需预留一定的轴向装配间隙来尽可能降低另一侧轴承的动压影响,减小轴承产生的摩擦功耗,提升驱动单元效率。

图 14 止推轴承承载特性
Fig.14 Load bearing characteristics of thrust bearing

针对10 kWe空间堆闭式布雷顿系统研制需求,提出了一种采用气箔轴承支撑的高效径流式涡轮驱动离心式压气机方案,并对其关键技术进行了仿真,主要得到以下结论。

1)驱动单元的压气机和涡轮采用半开式叶轮,通过一维设计确定相关参数后,基于CFD进行参数修正,得到最终模型。在转速为43 000 r/min时,压气机和涡轮效率分别达到0.832和0.882。

2)对于径向气箔轴承,采用厚板模型更能真实表达轴承沿轴向的顶箔变形和气膜分布,由此计算得到的轴承承载力、轴承刚度和阻尼系数更加准确。

3)由临界转速计算结果可知,闭式布雷顿系统最低自持转速为13 090 r/min,且转子系统为工作在二、三阶临界转速之间的刚体转子。随工作转速升高,在额定工况时轴承处的线性轴心轨迹反映出转子系统的稳定性更好。

4)止推箔片轴承满足驱动单元最大轴向力的需求,由于止推轴承成对作用,在保证整机效率的前提下,装配过程需考虑另一侧轴承动压效应影响。