CN115014784A - 一种闭式布雷顿循环性能实验*** - Google Patents

Abstract

本发明公开一种闭式布雷顿循环性能实验***，包括主循环***、气源***、热源***、动力***，主循环***包括透平机、压气机、冷却单元，压气机的入口与气源***相连，用于通入实验气体并压缩，压气机的出口与热源***相连，用于将压缩后的实验气体加热，透平机的入口与热源***相连，用于对加热后的实验气体进行做功，冷却单元与透平机、压气机分别相连，用于对做功后的乏气降温，并将其返回压气机；动力***包括启发一体式发电机，启发一体式发电机与压气机相连，用于推动压气机运转以进行压缩并在透平机做功的输出功大于压气机的耗功时进行发电。本发明可进行***级的验证回路流动特性、传热特性、机械特性、传动特性等多种实验。

Description

一种闭式布雷顿循环性能实验***

技术领域

本发明涉及能源动力技术领域，具体涉及一种闭式布雷顿循环性能实验***。

背景技术

布雷顿循环是一种典型热力学循环，它以气体为工质，先后经过绝热压缩、等压吸热、绝热膨胀及等压冷却四个过程实现能量的高效转化。与传统技术相比，闭式布雷顿循环技术具有循环效率高、功率密度大、结构紧凑、应用范围广等特点。布雷顿循环热电转换装置(后文简称“闭式循环氦气轮机”)是直接循环气冷堆实现热电转换的关键设备，通过闭式布雷顿循环将气冷堆堆芯产生的热能转化为电能。

在国内，目前尚无闭式循环氦气轮机产品的运行经验。清华大学的HTR-10GT项目已完成氦气轮机样机建造，但由于各种原因并未投入运转，也曾开展过部件级的试验研究，设计并搭建一套验证试验件自身压缩能力的闭式***，但是，该闭式***只能进行冷态试验验证压气机试验件的循环动力；中科院上海高等研究院建设了布雷顿循环试验平台，该平台的透平机和压气机不同轴，透平机仅驱动发电机，重点是分析不同试验条件下的非定常相应特性，且该平台结构复杂，存在占地面积大、耗能多等问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有技术存在的以上不足，提供一种闭式布雷顿循环实验***，可满足***级的验证回路流动特性、传热特性、机械特性、传动特性等多种实验的要求，可进行流动特性、传热特性、机械特性、传动特性等多种实验。

解决本发明技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种闭式布雷顿循环性能实验***，其技术方案如下：

一种闭式布雷顿循环性能实验***，包括主循环***、气源***、热源***、以及动力***，其中：

所述气源***，用于提供实验气体；

所述主循环***包括透平机、压气机、以及冷却单元，所述压气机的入口与所述气源***相连，用于通入实验气体并对通入的实验气体进行压缩，压气机的出口与所述热源***相连，用于将压缩后的实验气体通入到热源***进行加热，所述透平机的入口与所述热源***相连，用于对加热后的实验气体进行做功，所述冷却单元与所述透平机、所述压气机分别相连，用于对透平机中做功后输出的乏气进行降温，并将降温后的乏气输送到压气机中再次进行压缩，以实现闭式布雷顿循环；

所述动力***包括启发一体式发电机，所述启发一体式发电机与所述压气机相连，用于推动压气机运转以进行压缩并在透平机做功的输出功大于压气机的耗功时进行发电。

优选的是，本实验***还包括密封壳，所述透平机、所述压气机、以及所述启发一体式发电机同轴连接转速相同，且三者均设于所述密封壳内。

优选的是，所述冷却单元包括回热器和预冷器，所述回热器与所述透平机的出口相连，用于对透平机中做功后输出的乏气进行初步降温，以回收乏气的热量；所述预冷器与所述回热器相连，用于对初步降温的乏气进一步降温，预冷器还与所述压气机的入口相连，用于将进一步降温后的乏气通入到压气机进行压缩并循环；且所述回热器和所述预冷器设于所述密封壳内。

优选的是，本实验***还包括热阱***，所述预冷器设有冷却水入口和冷却水出口，所述热阱***的出口通过冷却水供水管路与所述预冷器的冷却水入口相连，热阱***的入口通过冷却水返回管路与预冷器的冷却水出口相连，用于向预冷器提供冷却水。

优选的是，所述主循环***还包括第一旁通调节管路和第二旁通调节管路，所述第一旁路调节管路的入口端与所述压气机的出口相连，第一旁通调节管路的出口端与所述透平机的出口相连，所述第二旁路调节管路的入口端与所述压气机的出口相连，第一旁通调节管路的出口端与所述压气机的入口相连，且第一旁路调节管路和第二旁路调节管路上均设有流量调节阀和截断阀。

优选的是，所述热源***包括反应堆模拟加热器、蓄热组件、以及压力容器，所述压力容器的入口所述压气机的出口相连，用于通入压气机压缩后的实验气体，所述反应堆模拟加热器与所述蓄热组件相连，且两者均设于所述压力容器内，用于对压力容器中的实验气体加热，所述压力容器的出口与所述透平机的入口相连，用于将加热后的实验气体通入到透平机做功。

优选的是，所述热源***还包括挡板，所述挡板设于所述压力容器内，且竖向设置，挡板的底部和两个侧边均与压力容器相连，压力容器的入口和出口分别处于挡板的两侧，以在压力容器内部形成向上流通的进气通道和向下流通的加热通道，所述反应堆模拟加热器和所述蓄热组件处于加热通道内。

优选的是，所述气源***包括氦气源***和抽真空***，所述氦气源***包括氦气贮存站、空罐、缓冲罐、低压罐、以及氦气压缩机，其中：

所述氦气贮存站通过第一管路与所述压气机的入口相连，用于提供氦气作为所述实验气体；

所述空罐、所述缓冲罐、所述低压罐均与所述第一管路相连，其中，空罐处于缓冲罐的上游，且空罐通过第二管路与所述压气机的出口相连，空罐用于调节所述实验***的充装量，缓冲罐处于低压罐的上游，缓冲罐用于调节所述实验***的压力波动，低压罐用于回收氦气；

所述氦气压缩机设于所述第一管路上，并处于所述缓冲罐与所述低压罐之间；

所述抽真空***与所述压气机相连，用于对所述实验***抽真空。

优选的是，所述气源***还包括氮气源***或空气供给***，所述氮气源***和所述空气供给***均与所述压气机的入口相连，氮气源***用于提供氮气作为所述实验气体，空气供给***用于提供空气作为所述实验气体。

优选的是，本实验***还包括试验台控制***，所述试验台控制***包括控制柜、测量仪表、数据采集板、以及人机界面，其中：

所述控制柜，与所述透平机、所述启发一体式发电机分别电连接，用于控制透平机、启发一体式发电机的启闭；

所述测量仪表设于所述透平机、所述压气机、以及所述压力容器上，用于检测透平机、压气机、以及压力容器的温度和/或压力和/或流量；

所述数据采集板与所述测量仪表电连接，用于接收测量仪表检测到的温度和/或压力和/或流量信号并转换为相应的温度值和/或压力值和/或流量值；

所述人机界面与所述数据采集板电连接，用于显示数据采集板转换得到的温度值和/或压力值和/或流量值

本发明的闭式布雷顿循环性能实验***，可满足***级的验证回路流动特性、传热特性、机械特性、传动特性等多种实验的要求，可进行流动特性、传热特性、机械特性、传动特性等多种实验。并且，通过将透平机、压气机、以及启发一体式发电机同轴连接设置，以及将其与回热器、预热一同设于密封壳，可以使本实验***结构简单且紧凑，不需要设置减速装置和配套的润滑油***，占地面积小，成本更低；通过设置氦气源***、氮气源***、以及空气供应***，使得本实验***可开展氦气、氮气、空气、以及其任一组合气体的实验，实验成本低；通过设置法兰式气体管道加热方式的热源***，能够有效的增加模拟温度，确保持续长时间连续不间断工作。

附图说明

图1为本发明实施例中的闭式布雷顿循环性能实验***的结构示意图；

图2为本发明实施例中的主循环***的结构示意图；

图3为本发明实施例中的热源***的结构示意图；

图4为本发明实施例中的氦气源***的结构示意图；

图5为本发明实施例中的氮气源***的结构示意图；

图6为本发明实施例中的空气供给***的结构示意图。

图中：1-热源***；101-反应堆模拟加热器；102-蓄热组件；103-电源绝热接线端；104-压力容器；105-温度传感器；106-保温层；107-冷管道；108-热管道；110-进气通道；111-挡板；112-容器顶部；113-超压保护阀；114-冷凝疏水阀；

2-主循环***；201-透平机；202-压气机；203-启发一体式发电机；204-回热器；205-预冷器；206-流量调节阀；207-第一截断阀；208-第二截断阀；209-气浮轴承；210-密封壳；307-第一管路；308-第二管路；

3-氦气源***；301-氦气贮存站；302-空罐；303-缓冲罐；304-低压罐；305-氦气压缩机；306-充装量调节阀；

4-氮气源***；401-氮气贮存站；402-氮气压缩机；

5-空气供给***；501-空气压缩机；502-空气缓冲罐；

6-热阱***；7-动力***；8-抽真空***。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”等指示方位或位置关系是基于附图所示的方位或者位置关系，仅是为了便于和简化描述，而并不是指示或者暗示所指的装置或者元件必须设有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或者暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“设置”、“安装”、“固定”等应做广义理解，例如可以是固定连接也可以是可拆卸地连接，或者一体地连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

如图1、图2所示，本实施例公开一种闭式布雷顿循环性能实验***，包括主循环***2、气源***、热源***1、以及动力***7，其中：

气源***，用于提供实验气体；

主循环***包括透平机201、压气机202等试验件、以及冷却单元，压气机202的入口与气源***相连，用于通入实验气体并对通入的实验气体进行压缩，压气机202的出口与热源***相连，用于将压缩后的实验气体通入到热源***进行加热，透平机201的入口与热源***相连，用于对加热后的实验气体进行做功，冷却单元与透平机201、压气机202分别相连，用于对透平机中做功后输出的乏气进行降温，并将降温后的乏气返回到压气机中再次进行压缩，以实现闭式布雷顿循环；

动力***包括启发一体式发电机(又称高速发电电动一体机)203，启发一体式发电机203与压气机202相连，其既具有电动机功能，又具有发电机功能，用于在试验件启动过程中推动压气机运转以进行压缩(即充当电动机)并在透平机做功的输出功大于压气机的耗功时进行发电(即充当发电机)。

目前，现有技术中，基本上都是单体试验装置，例如压气机的试验台，换热器的试验台，无法进行***级的综合试验。相比于现有技术，本实施例闭式布雷顿循环性能实验***，可将布雷顿循环体系的整套***集中进行测试，可满足***级的验证回路流动特性(比如，在额定温度下的循环过程中，研究氦气的压力损失，泄漏、膨胀和压缩特性等实验)、传热特性(比如，冷却单元在实验中的数据观测和分析)、机械特性(比如，透平机、压气机、以及启发一体式发电机等热电转换装置的运行稳定性、震动、惰转、热胀消除等特性的研究)、传动特性等多种实验的要求，可进行流动特性、传热特性、机械特性、传动特性(比如，传动稳定性和传动效率研究)等多种实验测试。

在一些实施方式中，本***还包括密封壳210，透平机201、压气机202、以及启发一体式发电机203同轴连接转速相同，且三者均设于密封壳210内，这样可以不需要设置减速装置和配套的润滑油***，使本***结构更简单、紧凑，成本更低。

具体来说，透平机201、压气机202、启发一体式发电机203三者设于同一根主轴上，该主轴上可以安装一个或多个气浮轴承209或电磁轴承，优选为安装三个气浮轴承209或电磁轴承，如图2所示，透平机201与压气机202之间的主轴长度优选为大于压气机202与启发一体式发电机203之间的主轴的长度，两个气浮轴承209或电磁轴承设于位于透平机201与压气机202之间的主轴上，且优选为分别处于靠近该段主轴的两端的位置，另一个气浮轴承209或电磁轴承设于压气机202与启发一体式发电机203之间的主轴上，由于该段主轴的长度较短，该段主轴上的气浮轴承或209电磁轴承优选为处于该段主轴的中间位置。

本实施例中，启发一体式发电机209的转速优选为20000-40000r/min。

在一些实施方式中，冷却单元采用模块化设计，其通过集成设计的管路与透平机201、压气机202相连通，并与透平机201、压气机202一同设置在密封壳210内，具体来说，冷却单元包括回热器204和预冷器205，回热器204和预冷器205均设于密封壳210的环形腔室内，其中：回热器204与透平机201的出口相连，用于对透平机中做功后输出的乏气进行初步降温，以回收乏气的热量；预冷器205与回热器204相连，用于对初步降温的乏气进一步降温，预冷器205还与压气机202的入口相连，用于将进一步降温后的乏气通入到压气机进行压缩并循环。通过模块化设计，回热器204/预冷器205可避免采用传统意义上的回热器/预冷器整机形式，***结构更紧凑，占地面积大大减少。

本实施例中，回热器204、预冷器205的设计选型优选为印刷电路板式、毛细管式等紧凑式结构的热交换器。本实施例中的冷却单元可以将实验气体(乏气)温度降低至常温，确保实验气体能顺利进行的循环。

在一些实施方式中，本***还包括热阱***6，热阱***6设于密封壳210外，预冷器205设有冷却水入口和冷却水出口，冷却水入口优选设于靠近预冷器205与回热器204相连的位置，冷却水出口优选设于靠近预冷器205与压气机202相连的位置，热阱***6的出口通过冷却水供水管路与预冷器205的冷却水入口相连，热阱***6的入口通过冷却水返回管路与预冷器205的冷却水出口相连，用于向预冷器提供冷却水，实现冷却水循环，冷却水的温度优选为25-30℃。并且，为了确保冷却水循环，热阱***6与预冷器205之间的连接管路上还可以设有泵，以提供冷却水循环所需的动力。

本实施例中，热阱***6为机械通风冷却塔，通过冷却水循环将从预冷器带出的热量释放到大气环境。

在一些实施方式中，如图2所示，主循环***还包括第一旁通调节管路(即N1-N3)和第二旁通调节管路(即N1-N4)，第一旁路调节管路的入口端N1与压气机202的出口相连，第一旁通调节管路的出口端N3与透平机202的出口相连，第二旁路调节管路的入口端N1与压气机202的出口相连，第一旁通调节管路的出口端N4与压气机202的入口相连，且第一旁路调节管路和第二旁路调节管路上均设有流量调节阀206和截断阀(其中，位于第一旁通调节管路上的截断阀为第一截断阀207，位于第一旁通调节管路上的截断阀为第二截断阀208)，其中，流量调节阀用于控制第一旁通调节管路和第二旁通调节管路中的实验气体的流量，截断阀用于控制第一旁通调节管路和第二旁通调节管路的通断，以选择旁通管路制定出不同的实验方案，从而验证不同旁通管路调节策略下功率变化的响应速率和***影响模式。

具体来说，第一旁通调节管路N1-N3主要是用于在透平机、压气机等部件(相当于氦气轮机)的转速超转时接通，此时，透平机出口的背压迅速升高，可以快速降低转速，保护氦气轮机转子避免超转破裂。本实施例中，透平机的转速达到23000-24000，透平机出口的背压达到0.7-0.8MPa时，接通第一旁通调节管路N1-N3。第二旁通调节管路N1-N4一方面可以用于防止氦气轮机发生喘振，比如，在发生低流量报警时接通第二旁通调节管路N1-N4，另一方面，也可以减少参与循环的实验气体流量，让一部分又返回到了压气机202的上游，使得功率降低，即可以对功率起到调节作用，其调节范围相对第一旁通调节管路N1-N3要小，可用于小的功率波动调节。

在一些实施方式中，如图3所示，热源***1可以采用法兰式气体管道加热方式，其包括反应堆模拟加热器101、蓄热组件102、以及压力容器104，压力容器104的入口与压气机202的出口相连，用于通入压气机压缩后的实验气体，反应堆模拟加热器101与蓄热组件102相连，且两者均设于压力容器104内，用于对压力容器中的实验气体加热，压力容器104的出口通过热管道108与透平机201的入口相连，用于将加热后的实验气体通入到透平机做功。

具体来说，压力容器的入口上设有冷管道107，压力容器104通过冷管道107与压气机202的出口相连。压力容器的出口上设有热管道108，压力容器104通过热管道108与透平机201的入口相连。压力容器101上设有电源接线端103，电源接线端103优选具有绝热性能，反应堆模拟加热器101与蓄热组件102通过该电源接线端103与外界电源相连，以获取加热电源。反应堆模拟加热器101优选为直流式或电加热式或条带式加热器，并确保阻力系数与反应堆阻力系数相当，本实施例中，反应堆模拟加热器101的额定加热功率优选为1000-5000kw，反应堆模拟加热器101加热器温度为300-850℃。蓄热组件采用石墨碳砖，蓄热能力为3x10⁷kJ。压力容器104的外部可设有保温层106，以减少散热损失。压力容器顶部112可设有超压保护阀113，以避免压力容器超压危险。压力容器104的底部可设有冷凝疏水阀114，以排出压力容器内可能产生的冷凝水。冷管道107的设计压力优选为600℃以上，设计压力优选为3MPa以上，本实施例中，冷管道107优选奥氏体不锈钢材料(如316H)制成。热管道108的设计温度优选为900℃以上，设计压力优选为3MPa以上，本实施例中，热管道108优选奥氏体不锈钢材料(如800H)制成。

通过采用法兰式气体管道加热方式加热，能够有效的增加模拟出的温度，且能持续长时间连续不间断工作。

在一些实施方式中，热源***1还可以包括挡板111，挡板111设于压力容器104内，且竖向设置，挡板111的底部和两个侧边均与压力容器104相连，压力容器104的入口和出口分别处于挡板111的两侧，以在压力容器内部形成向上流通的进气通道110和向下流通的加热通道，进气通道110的空间大小优选为小于加热通道的空间大小，反应堆模拟加热器101和蓄热组件102处于加热通道内。通过设置挡板111，可以使得从压气机通入的压缩后的实验气体先沿压力容器内部壁面向上流动，在挡板上部折流后再进入加热通道被加热升温，这样可以提高加热效果。

在一些实施方式中，气源***可以包括氦气源***3和抽真空***8，如图4所示，氦气源***3包括氦气贮存站301、空罐302、缓冲罐303、低压罐304、以及氦气压缩机305。氦气贮存站301通过第一管路307与压气机101的入口相连，用于提供氦气作为所述实验气体。空罐302、缓冲罐303、低压罐304均与第一管路307相连，其中，空罐302处于缓冲罐303的上游，且空罐302通过第二管路308与压气机202的出口相连，空罐302用于调节本实验***的充装量，缓冲罐303处于低压罐304的上游，缓冲罐303用于调节本实验***的压力波动，尤其是适合用于微小波动的压力调节，低压罐304用于回收氦气，回收的氦气可用于重复利用。氦气压缩机305设于第一管路307上，并处于缓冲罐303与低压罐304之间，用于压缩氦气；抽真空***8与压气机202相连，用于对本实验***抽真空。

本实施例中，氦气源***4包括若干个/组氦气瓶(即氦气贮存站301)、一台缓冲罐303(0.16m3，3MPa)、一台低压罐304(2m3，4MPa)、一台空罐302(2m3，4MPa)、以及一台氦气压缩机305(400Nm3/h，升压2MPa)。抽真空***8包括一台真空泵，真空泵与第一管路307相连，通过第一管路307与压气机202的入口相连。

在一些实施方式中，气源***还可以包括氮气源***4和/或空气供给***5，氮气源***4和空气供给***5均与压气机202的入口相连，其中，氮气源***4用于提供氮气作为所述实验气体，空气供给***5用于提供空气作为所述实验气体。

具体来说，如图5所示，氮气源***4包括氮气贮存站401和氮气压缩机402。氮气贮存站400可以为氮气贮存罐或氮气制备机，氮气贮存站400与第一管路307相连，通过第一管路307与压气机202的入口相连，用于存贮或制备氮气。氮气压缩机402设于氮气贮存站401与压气机202之间的连接管路上，用于为氮气输送增压。

如图6所示，空气供应***5包括空气缓冲罐502和空气压缩机501。空气缓冲罐502上设有进气管，进气管连通空气缓冲罐502和外界大气环境，以通入空气，并且，空气缓冲罐502与第一管路307相连，通过第一管路307与压气机202的入口相连，空气压缩机501设于进气管上，空气压缩机501用于为空气输送增压，空气缓冲罐502用于缓冲本实验***压力的波动。

通过设置氦气源***3、氮气源***4、以及空气供给***5，使得本实验***可以开展氦气、氮气、空气、以及其任一组合气体的实验，相比于传统的单一的氦气实验，在实验初期可以先采用氮气或者压缩空气进行实验，从而可大大降低实验成本。

在一些实施方式中，本实验***还包括试验台控制***(图中未示出)，试验台控制***包括控制柜、测量仪表、数据采集板、以及人机界面，其中：控制柜与透平机201、启发一体式发电机203等需要远程控制的设备分别电连接，用于控制透平机201、启发一体式发电机203等设备的启闭；测量仪表设于透平机201、压气机202、以及压力容器104上，用于检测透平机201、压气机202、以及压力容器104的温度和/或压力和/或流量，并将其转化为对应的电信号；数据采集板与测量仪表电连接，用于接收测量仪表检测到的温度和/或压力和/或流量信号(电信号)并转换为相应的温度值和/或压力值和/或流量值；人机界面与数据采集板电连接，用于显示数据采集板转换得到的温度值和/或压力值和/或流量值，监测实验***的运行情况。

具体来说，测量仪表包括温度传感器105、压力传感器、以及流量计(图中未示出)，温度传感器105、压力传感器、以及流量检测器按照具体的实验需要设于透平机201、压气机202、以及压力容器104上，具体的检测点可根据实验需要进行选择，其中，设于压力容器104上的温度传感器105的数量优选为三个以上，分别设于压力容器104的上部、中部、以及下部，这样既可以检验压力容器内温度场分布是否均匀，以便在不同位置的温差较大时及时做出调整，提高检测准确度。

需要说明的是，当本实验***需要进行振动机械特性研究时，测量仪表还包括振动监测仪，振动监测仪设于主轴上，与数据采集板电连接，用于检测主轴的振动情况，并转换为对应的振动电信号发送给数据采集板，数据采集板还用于将振动电信号转换为对应的振动值，人机界面还用于显示数据采集板转换得到的振动值，控制柜内还可设有振动阈值，还用于将振动值与振动阈值进行比较，并在振动值大于振动阈值时控制人家交互界面显示报警信号，此时，需要对磁浮轴承或电磁轴承进行校正。同理，当本实验***需要进行惰转机械特性实验研究时，测量仪表还可以包括转矩测量元件；当本实验***需要进行热胀消除机械特性实验研究时，测量仪表还可以包括形变量测量仪；本实验***需要进行传动特性实验研究时，测量仪表还可以包括功率测量元件，通过检测、比较上游输出功率和下游的电功率，得出实际的传动效率；总之，测量仪表可根据需要进行的实验研究，选用检测该实验研究所需参数的对应检测仪表，而不限于上述例出的测量仪表，这里不再一一赘述。

在一些实施方式中，动力***7还包括储能装置(如蓄电池)及微电网，储能装置及微电网与启发一体式发电机电连接，用于调节电力负荷，以配合本实验***完成功率调节试验和甩负荷瞬态工况实验。在功率调节试验中，启发一体式发电机还可以起到负荷调节的作用。

本实施例实验***的启动过程，如下：

打开抽真空***对实验***抽真空，再将氮气源***或空气供应***与压气机接通，以向压气机通入氮气或空气，并启动启发一体式发电机推动压气机运转以对通入的氮气或空气进行压缩，压缩后的气体进回热器换热升温后通入到热源***进行加热，加热温度为300-750℃，加热后的气体通入到透平机中，同时，启发一体式发电机对加热后的气体进行做功，做功后输出的乏气通入到回热器中与经过回热器被压缩后的气体换热后初步降温，使得乏气自身的热量被回收，之后，乏气通入到预冷器与循环冷却水进一步换热后进一步降温，进一步降温后的乏气通入到压气机中被压缩，之后经回热器通入到热源***，实现循环。当透平机的输出功率达到所需的功率时，如，达到1.0MW时，改用氦气源***向压气机通入氦气，以展开后续的流动特性等实验研究。

需要说明的是，关于流动特性、传热特性、机械特性、传动特性，指的是实验中的观测内容。例如，流动特性是通过实验过程中不同位置的流量计和压力表的测量数据，通过流体计算的方法进行分析，获得***的流动特性；传热特性则是通过流量、温度等检测数据进行分析，获得传热特性；同样，机械特性、传动特性也有专门的振动、功率、转矩、转速等测量元件去进行分析。

下面以开展流动特性和传热特性实验为例，对本实施例实验***的实验过程进行简述，具体如下：

例如，在某种稳定工况下，测得回热器204的低压侧(乏气侧)入口的压力为1.2MPa，温度为520℃，低压侧出口的压力为1.14MPa，温度为230℃，高压侧(压缩后的实验气体侧)入口的压力为1.97MPa，温度为190℃，高压侧出口的压力为1.9MPa，温度为480℃，则可以通过上述这些温度和压力参数分析氦气在回热器部件中的流动和传热特性。对于其它的如预冷器等部件也是同样的实验原理，这里不再一一赘述。

本实施例的闭式布雷顿循环实验***，可满足***级的验证回路流动特性、传热特性、机械特性、传动特性等多种实验的要求，可进行流动特性、传热特性、机械特性、传动特性等多种实验。并且，通过将透平机、压气机、以及启发一体式发电机同轴连接设置，以及将其与回热器、预热一同设于密封壳，可以使本实验***结构简单且紧凑，不需要设置减速装置和配套的润滑油***，占地面积小，成本更低；通过设置氦气源***、氮气源***、以及空气供应***，使得本实验***可开展氮气、氮气、空气、以及其任一组合气体的实验，实验成本低；通过设置法兰式气体管道加热方式的热源***，能够有效的增加模拟温度，确保持续长时间连续不间断工作。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种闭式布雷顿循环性能实验***，其特征在于，包括主循环***(2)、气源***、热源***(1)、以及动力***(7)，

所述气源***，用于提供实验气体；

所述主循环***包括透平机(201)、压气机(202)、以及冷却单元，

所述压气机的入口与所述气源***相连，用于通入实验气体并对通入的实验气体进行压缩，压气机的出口与所述热源***相连，用于将压缩后的实验气体通入到热源***进行加热，

所述透平机的入口与所述热源***相连，用于对加热后的实验气体进行做功，

所述冷却单元与所述透平机、所述压气机分别相连，用于对透平机中做功后输出的乏气进行降温，并将降温后的乏气输送到压气机中再次进行压缩，以实现闭式布雷顿循环；

所述动力***包括启发一体式发电机(203)，所述启发一体式发电机与所述压气机相连，用于推动压气机运转以进行压缩并在透平机做功的输出功大于压气机的耗功时进行发电。

2.根据权利要求1所述的闭式布雷顿循环性能实验***，其特征在于，还包括密封壳，所述透平机、所述压气机、以及所述启发一体式发电机同轴连接转速相同，且三者均设于所述密封壳(210)内。

3.根据权利要求2所述的闭式布雷顿循环性能实验***，其特征在于，所述冷却单元包括回热器(204)和预冷器(205)，

所述回热器与所述透平机的出口相连，用于对透平机中做功后输出的乏气进行初步降温，回收乏气的热量；

所述预冷器与所述回热器相连，用于对初步降温的乏气进一步降温，预冷器还与所述压气机的入口相连，用于将进一步降温后的乏气通入到压气机进行压缩并循环；

且所述回热器和所述预冷器设于所述密封壳内。

4.根据权利要求3所述的闭式布雷顿循环性能实验***，其特征在于，还包括热阱***(6)，所述预冷器设有冷却水入口和冷却水出口，

所述热阱***的出口通过冷却水供水管路与所述预冷器的冷却水入口相连，热阱***的入口通过冷却水返回管路与预冷器的冷却水出口相连，用于向预冷器提供冷却水。

5.根据权利要求3所述的闭式布雷顿循环性能实验***，其特征在于，所述主循环***还包括第一旁通调节管路和第二旁通调节管路，

所述第一旁路调节管路的入口端与所述压气机的出口相连，第一旁通调节管路的出口端与所述透平机的出口相连，

所述第二旁路调节管路的入口端与所述压气机的出口相连，第一旁通调节管路的出口端与所述压气机的入口相连，

且第一旁路调节管路和第二旁路调节管路上均设有流量调节阀(206)和截断阀。

6.根据权利要求1-5任一项所述的闭式布雷顿循环性能实验***，其特征在于，所述热源***包括反应堆模拟加热器(101)、蓄热组件(102)、以及压力容器(104)，

所述压力容器的入口与所述压气机的出口相连，用于通入压气机压缩后的实验气体，

所述反应堆模拟加热器与所述蓄热组件相连，且两者均设于所述压力容器内，用于对压力容器中的实验气体加热，

所述压力容器的出口与所述透平机的入口相连，用于将加热后的实验气体通入到透平机做功。

7.根据权利要求6所述的闭式布雷顿循环性能实验***，其特征在于，所述热源***还包括挡板(111)，

所述挡板设于所述压力容器内，且竖向设置，挡板的底部和两个侧边均与压力容器相连，压力容器的入口和出口分别处于挡板的两侧，以在压力容器内部形成向上流通的进气通道(110)和向下流通的加热通道，

所述反应堆模拟加热器和所述蓄热组件处于加热通道内。

8.根据权利要求7所述的闭式布雷顿循环性能实验***，其特征在于，所述气源***包括氦气源***(3)和抽真空***(8)，

所述氦气源***包括氦气贮存站(301)、空罐(302)、缓冲罐(303)、低压罐(304)、以及氦气压缩机(305)，

所述氦气贮存站通过第一管路与所述压气机的入口相连，用于提供氦气作为所述实验气体；

所述空罐、所述缓冲罐、所述低压罐均与所述第一管路相连，其中，空罐处于缓冲罐的上游，且空罐通过第二管路与所述压气机的出口相连，空罐用于调节所述实验***的充装量，缓冲罐处于低压罐的上游，缓冲罐用于调节所述实验***的压力波动，低压罐用于回收氦气；

所述氦气压缩机设于所述第一管路上，并处于所述缓冲罐与所述低压罐之间；

所述抽真空***与所述压气机相连，用于对所述实验***抽真空。

9.根据权利要求8所述的闭式布雷顿循环性能实验***，其特征在于，所述气源***还包括氮气源***(4)或空气供给***(5)，

所述氮气源***和所述空气供给***均与所述压气机的入口相连，

氮气源***用于提供氮气作为所述实验气体，

空气供给***用于提供空气作为所述实验气体。

10.根据权利要求9所述的闭式布雷顿循环性能实验***，其特征在于，还包括试验台控制***，

所述试验台控制***包括控制柜、测量仪表、数据采集板、以及人机界面，

所述控制柜，与所述透平机、所述启发一体式发电机分别电连接，用于控制透平机、启发一体式发电机的启闭；

所述测量仪表设于所述透平机、所述压气机、以及所述压力容器上，用于检测透平机、压气机、以及压力容器的温度和/或压力和/或流量；

所述数据采集板与所述测量仪表电连接，用于接收测量仪表检测到的温度和/或压力和/或流量信号并转换为相应的温度值和/或压力值和/或流量值；

所述人机界面与所述数据采集板电连接，用于显示数据采集板转换得到的温度值和/或压力值和/或流量值。

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