核動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)及其動(dòng)力供給裝置的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種核動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)及其動(dòng)力供給裝置，動(dòng)力供給裝置包括中心開設(shè)有中心孔道的堆芯；主軸，穿設(shè)在中心孔道內(nèi)，兩端伸出堆芯分別連接壓氣機(jī)和透平；發(fā)電機(jī)，與透平相連；屏蔽筒A，套設(shè)在堆芯外，與堆芯之間的間隙內(nèi)填充有超臨界二氧化碳；環(huán)形冷卻器，包覆在屏蔽筒A外，中心軸與中心孔道的中心軸重合；屏蔽筒B，包覆在環(huán)形冷卻器外。核動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)包括動(dòng)力供給裝置及包覆其外的外殼。動(dòng)力供給裝置結(jié)構(gòu)高度緊湊，無任何管道和閥門，可大幅度精簡(jiǎn)防輻射屏蔽裝置，重量輕、體積?。缓藙?dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)采用動(dòng)力供給裝置，也能減小體積和重量，可滿足對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)有體積、重量要求的場(chǎng)所應(yīng)用。
【專利說明】
核動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)及其動(dòng)力供給裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型涉及發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，具體地，涉及核動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)及其動(dòng)力供給裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]核動(dòng)力是利用可控核反應(yīng)來獲取能量。利用核反應(yīng)來獲取能量的原理是:當(dāng)裂變材料在受人為控制的條件下發(fā)生核裂變時(shí)，核能就會(huì)以熱的形式被釋放出來，這些熱量會(huì)被用來驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)。渦輪機(jī)可以直接提供動(dòng)力，也可以連接發(fā)電機(jī)來產(chǎn)生電能。提供核能的核反應(yīng)堆堆芯、轉(zhuǎn)換熱能的渦輪機(jī)就是整個(gè)核動(dòng)力裝置的動(dòng)力供給裝置。
[0003]因?yàn)楹溯椛鋯栴}，核動(dòng)力裝置還需要設(shè)計(jì)核反應(yīng)屏蔽裝置對(duì)反應(yīng)堆進(jìn)行屏蔽，而目前的核反應(yīng)中通常使用冷卻水進(jìn)行能量傳遞，因此需要設(shè)計(jì)復(fù)雜的管路和閥門來進(jìn)行控制，因此所需要的屏蔽裝置體積大、重量重，整個(gè)動(dòng)力供給裝置以及核動(dòng)力系統(tǒng)也相應(yīng)的體積較大、重量輕。
[0004]核動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)由于采用核反應(yīng)堆提供能量，也面臨著上述問題。如果屏蔽裝置和核動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)體積太大、重量太重，核動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用將受到很大限制，尤其是不能應(yīng)用于要求發(fā)動(dòng)機(jī)體積小、重量輕的場(chǎng)合。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005]本實(shí)用新型的目的就在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)和不足，提供一種核動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)及其動(dòng)力供給裝置，該核動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力供給裝置采用超臨界二氧化碳作為堆芯冷卻劑，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，能夠支持屏蔽裝置、動(dòng)力供給裝置本身以及和發(fā)動(dòng)機(jī)減小體積和重量。
[0006]本實(shí)用新型解決上述問題所采用的技術(shù)方案是:
[0007]核動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力供給裝置，包括:
[0008]堆芯，其中心開設(shè)有貫穿堆芯兩端的中心孔道；
[0009]主軸，穿設(shè)在堆芯的中心孔道內(nèi)，兩端伸出堆芯，一端連接壓氣機(jī)，另一端連接透平；
[0010]發(fā)電機(jī)，與透平相連；
[0011]屏蔽筒A，套設(shè)在堆芯外，且與堆芯之間具有間隙；
[0012]環(huán)形冷卻器，包覆在屏蔽筒A外，且環(huán)形冷卻器的中心軸與堆芯的中心孔道的中心軸重合；
[0013]屏蔽筒B，包覆在環(huán)形冷卻器外，將壓氣機(jī)、屏蔽筒A、堆芯、環(huán)形冷卻器、主軸、透平、發(fā)電機(jī)密封在其內(nèi)部；
[0014]所述屏蔽筒A的內(nèi)壁、壓氣機(jī)的內(nèi)側(cè)、透平的內(nèi)側(cè)之間構(gòu)成加熱腔D，所述加熱腔D內(nèi)填充有超臨界二氧化碳;所述壓氣機(jī)的外側(cè)、屏蔽筒A的后端面、環(huán)形冷卻器的后端面、屏蔽筒B的后部側(cè)壁和屏蔽筒B的后端壁構(gòu)成第一腔體C;所述透平的外側(cè)、屏蔽筒A的前端面、環(huán)形冷卻器的前端面、屏蔽筒B的前部側(cè)壁和屏蔽筒B的前端壁構(gòu)成第二腔體E;所述壓氣機(jī)的進(jìn)口與第一腔體C連通、壓氣機(jī)的出口與加熱腔D連通;所述透平的流體入口與加熱腔D連通、透平的流體出口與第二腔體E連通;所述環(huán)形冷卻器內(nèi)設(shè)置有供超臨界二氧化碳流動(dòng)的流道，該流道與第一腔體C和第二腔體E均連通;所述發(fā)電機(jī)位于第二腔體E內(nèi)；
[0015]所述堆芯包括圍筒、內(nèi)部支撐筒、上部支撐板、下部支撐板、核燃料組件;所述圍筒套設(shè)在內(nèi)部支撐筒外，且二者軸線重合，內(nèi)部支撐筒與圍筒之間構(gòu)成一個(gè)環(huán)形空腔;所述下部支撐板和上部支撐板均呈圓環(huán)狀，分別安裝在環(huán)形空腔兩端，且下部支撐板和上部支撐板均連接在內(nèi)部支撐筒和圍筒之間；所述核燃料組件安裝在所述環(huán)形空腔內(nèi)；所述圍筒內(nèi)壁還設(shè)置有一層中子反射層;所述內(nèi)部支撐筒、圍筒、中子反射層上均開設(shè)有供超臨界二氧化碳通過的流體通孔。
[0016]上述壓氣機(jī)的外側(cè)的是指壓氣機(jī)的遠(yuǎn)離堆芯的一側(cè)，反之，壓氣機(jī)的內(nèi)側(cè)是指壓氣機(jī)的靠近堆芯的一側(cè)；上述透平的外側(cè)的是指透平的遠(yuǎn)離堆芯的一側(cè)，透平的內(nèi)側(cè)是指透平的靠近堆芯的一側(cè);上述環(huán)形冷卻器的前端面是指環(huán)形冷卻器的靠近透平的一端的端面，環(huán)形冷卻器的后端面是指環(huán)形冷卻器的靠近壓氣機(jī)的一端的端面;上述屏蔽筒A的前端面是指屏蔽筒A靠近透平的一端的端面，屏蔽筒A的后端是指屏蔽筒A靠近壓氣機(jī)的一端的端面;上述屏蔽筒B的前部側(cè)壁是指屏蔽筒B的靠近透平附近的側(cè)壁，屏蔽筒B的后部側(cè)壁是指屏蔽筒B的靠近壓氣機(jī)附近的側(cè)壁;屏蔽筒B的前端壁是指屏蔽筒B靠近透平的一端的端壁，屏蔽筒B的后端壁是指屏蔽筒B靠近壓氣機(jī)的一端的端壁。
[0017]上述技術(shù)方案中，核動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力供給裝置采用一體化布局方式，結(jié)構(gòu)高度緊湊，無任何管道和閥門，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，可以減小自身的體積和重量，還可以大幅度精簡(jiǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的防輻射屏蔽裝置，從而整體上實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)重量輕、體積小的目標(biāo)。采用超臨界二氧化碳作為堆芯冷卻劑，利用超臨界二氧化碳擬臨界區(qū)物性突變現(xiàn)象，將壓氣機(jī)運(yùn)行點(diǎn)設(shè)置在擬臨界溫度附近的小密度區(qū)，將透平運(yùn)行點(diǎn)設(shè)置在擬臨界溫度之后的大密度區(qū)，可以降低壓縮功耗，實(shí)現(xiàn)高效率輸出。此外，超臨界二氧化碳有利于提高堆芯溫度，滿足堆芯熱工安全限制，更有利于動(dòng)力供給裝置、整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力供給裝置以及發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊和微型化。堆芯的前述結(jié)構(gòu)使得堆芯結(jié)構(gòu)更緊湊和規(guī)則，便于布置，減小堆芯自身的體積和重量，支持核動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的體積和重量減小。
[0018]作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn)，所述下部支撐板上設(shè)置有支撐裝置，所述核燃料組件安裝在支撐裝置上。
[0019]進(jìn)一步，所述中心孔道的直徑不大于120mm，在保障主軸穿過的前提下，盡量減小堆芯以及其外的部件的體積，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力供給裝置以及發(fā)動(dòng)機(jī)的小型化。
[0020]進(jìn)一步，屏蔽筒A與堆芯之間的間隙的寬度不大于100mm，以在滿足超臨界二氧化碳的換熱要求下，盡量減小屏蔽筒A以及其外的設(shè)備的體積，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力供給裝置以及發(fā)動(dòng)機(jī)的小型化。
[0021]進(jìn)一步，所述堆芯的靠近透平的一端與屏蔽筒A密封連接。
[0022]進(jìn)一步，所述屏蔽筒A呈中空?qǐng)A筒狀，其內(nèi)壁上還設(shè)置有一個(gè)環(huán)形凸起，所述堆芯的靠近透平的一端正對(duì)環(huán)形凸起且與該環(huán)形凸起密封連接。環(huán)形凸起可以阻擋超臨界二氧化碳的作用，防止超臨界二氧化碳不經(jīng)堆芯直接進(jìn)入透平，使得所有超臨界二氧化碳都經(jīng)堆芯加熱后進(jìn)入透平做功，加熱更充分，提高發(fā)電效率。
[0023]進(jìn)一步，所述環(huán)形凸起連接在堆芯的靠近透平的一端的外壁上，使屏蔽筒A與堆芯之間的間隙更長(zhǎng)，超臨界二氧化碳能夠從堆芯更大的面積的外壁進(jìn)入堆芯。
[0024]進(jìn)一步，所述屏蔽筒B呈兩端封閉的圓筒狀結(jié)構(gòu)，使整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)在周向上對(duì)稱。
[0025]進(jìn)一步，所述屏蔽筒A和屏蔽筒B均采用核輻射屏蔽材料制成。
[0026]核動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)包括機(jī)殼和動(dòng)力裝置，所述動(dòng)力裝置為上述任一技術(shù)方案中的核動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力供給裝置，所述機(jī)殼包覆在屏蔽筒B外。由于動(dòng)力供給裝置體積小、重量輕，從而發(fā)動(dòng)機(jī)也實(shí)現(xiàn)了重量、體積的減小。
[0027]綜上，本實(shí)用新型的有益效果是:
[0028]1、本實(shí)用新型中，堆芯的結(jié)構(gòu)緊湊、規(guī)則，便于布置，減小堆芯自身的體積和重量，支持動(dòng)力供給裝置以及核動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的體積和重量減小；
[0029]2、核動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力供給裝置采用超臨界二氧化碳作為堆芯冷卻劑，有利于提高堆芯溫度，滿足堆芯熱工安全限制，更有利于動(dòng)力供給裝置以及整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊和微型化;動(dòng)力供給裝置采用一體化布局方式，結(jié)構(gòu)高度緊湊，無任何管道和閥門，可以大幅度精簡(jiǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的防輻射屏蔽裝置，從而整體上實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)重量輕、體積小的目標(biāo)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的微型化，可以應(yīng)用于陸地、航空、海上對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)重量、體積有要求的場(chǎng)所；
[0030]3、本實(shí)用新型中，核動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)采用超臨界二氧化碳作為堆芯冷卻劑，利用超臨界二氧化碳擬臨界區(qū)物性突變現(xiàn)象，將壓氣機(jī)運(yùn)行點(diǎn)設(shè)置在擬臨界溫度附近的小密度區(qū)，將透平運(yùn)行點(diǎn)設(shè)置在擬臨界溫度之后的大密度區(qū)，可以降低壓縮功耗，實(shí)現(xiàn)高效率輸出；
[0031]4、本實(shí)用新型采用超臨界二氧化碳作為冷卻劑，超臨界二氧化碳性能穩(wěn)定、密度適中，對(duì)溫度要求相對(duì)較低，能夠在較低溫度下進(jìn)入超臨界狀態(tài)，從而其壓縮功耗較小，能夠使堆芯保持較高的凈效率輸出；
[0032]5、本實(shí)用新型的核動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)在堆芯外設(shè)置的屏蔽筒A和屏蔽筒B構(gòu)成的防輻射屏蔽裝置，具有2道核輻射防護(hù)屏蔽層，核輻射防護(hù)效果好。
【附圖說明】
[0033]圖1是本實(shí)用新型的核動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的堆芯的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034]圖2是本實(shí)用新型的核動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)具體實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0035]圖3是實(shí)施例1中核動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)中超臨界二氧化碳的流動(dòng)示意圖；
[0036]圖4是實(shí)施例4中的環(huán)形冷卻器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0037]圖5是實(shí)施例4中的環(huán)形冷卻器的AA’剖面圖；
[0038]圖6是實(shí)施例3中的核動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖.
[0039]附圖中標(biāo)記及相應(yīng)的零部件名稱:1_堆芯;2-壓氣機(jī);3-透平;4-發(fā)電機(jī);5-主軸；6-環(huán)形冷卻器;62-內(nèi)筒;61-外筒;63-環(huán)形端板;64-通孔;67-導(dǎo)流管；7-屏蔽筒A; 71-環(huán)形凸起;8-屏蔽筒B; 9-機(jī)殼；11-第一擋板；12-第二擋板；100-核燃料組件；101-圍筒；102-內(nèi)部支撐筒；103-下部支撐板;104-上部支撐板;105-中子反射層；106-支撐裝置;107-流體通孔;21-壓氣機(jī)的內(nèi)側(cè);22-壓氣機(jī)的外側(cè);31-透平的內(nèi)側(cè);32-透平的外側(cè);61-環(huán)形冷卻器的前端面;62-環(huán)形冷卻器的后端面;74-屏蔽筒A的前端面;72-屏蔽筒A的后端面;73-屏蔽筒A的內(nèi)壁;81-屏蔽筒B的前部側(cè)壁;82-屏蔽筒B的前端壁;83-屏蔽筒B的后部側(cè)壁;84-屏蔽筒B的后端壁。
【具體實(shí)施方式】
[0040]下面結(jié)合實(shí)施例及附圖，對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步地的詳細(xì)說明，但本實(shí)用新型的實(shí)施方式不限于此。
[0041 ] 實(shí)施例1:
[0042]如圖2所示，核動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力供給裝置包括堆芯1、壓氣機(jī)2、透平3、發(fā)電機(jī)4、主軸5、環(huán)形冷卻器6、屏蔽筒A7、屏蔽筒B8。
[0043]所述堆芯I呈圓柱狀，且中心開設(shè)有中心孔道，中心孔道貫穿圓柱狀堆芯I的兩端，故堆芯I的截面呈環(huán)形，環(huán)形截面的內(nèi)徑等于中心孔道的直徑，所述中心孔道的直徑不大于120_。本實(shí)施例中，所述中心孔道的直徑取120_。
[0044]所述主軸5，穿設(shè)在堆芯I的中心孔道內(nèi)，兩端伸出堆芯I，一端連接壓氣機(jī)2，另一端連接透平3;所述發(fā)電機(jī)7與透平6相連。
[0045]所述屏蔽筒A7為中空?qǐng)A筒結(jié)構(gòu)，套設(shè)在堆芯I外，且屏蔽筒A7與堆芯I之間具有間隙，這樣，屏蔽筒A7的內(nèi)壁73、壓氣機(jī)2的內(nèi)側(cè)21、透平3的內(nèi)側(cè)31之間構(gòu)成加熱腔D，所述加熱腔D內(nèi)填充有超臨界二氧化碳，使屏蔽筒A7的腔體內(nèi)部充滿超臨界二氧化碳，為堆芯I提供工作空間，壓氣機(jī)2位于堆芯I的進(jìn)口端，透平3和發(fā)電機(jī)4位于環(huán)形堆芯I的出口端。屏蔽筒A7與堆芯I之間具有間隙是指堆芯I的外壁與屏蔽筒A7的內(nèi)壁73之間的間隙。本實(shí)施例中，所述屏蔽筒A7與堆芯I之間的間隙寬度不大于100mm，以在滿足超臨界二氧化碳的換熱要求下，盡量減小屏蔽筒A以及其外的設(shè)備的體積，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的小型化。本實(shí)施例中，屏蔽筒A7與堆芯I之間的間隙為90mm，該間隙太小則超臨界二氧化碳在堆芯I中進(jìn)行換熱不充分，太大則增大屏蔽筒A7、環(huán)形冷卻器6、屏蔽筒8的體積，從而增大整個(gè)動(dòng)力供給裝置的體積，從而增大發(fā)動(dòng)機(jī)的體積，不利于發(fā)動(dòng)機(jī)的小型化。
[0046]所述環(huán)形冷卻器6包覆在屏蔽筒A7外，且環(huán)形冷卻器6、屏蔽筒A7、堆芯I的中心孔道三者的中心軸線重合;環(huán)形冷卻器6是指截面呈環(huán)形的冷卻器，屏蔽筒A7位于環(huán)形冷卻器6的環(huán)形空腔內(nèi)，環(huán)形冷卻器6可以采用現(xiàn)有技術(shù)中的核反應(yīng)堆中常用的冷卻器，其內(nèi)部填充有冷卻水，超臨界二氧化碳通過環(huán)形冷卻器6時(shí)被冷卻水進(jìn)行冷卻。
[0047]所述環(huán)形冷卻器6外還包覆有屏蔽筒B8，該屏蔽筒B8呈兩端封閉的圓筒狀結(jié)構(gòu)，將壓氣機(jī)2、屏蔽筒A7、堆芯1、環(huán)形冷卻器6、主軸5、透平3、發(fā)電機(jī)4密封在其內(nèi)部;所述機(jī)殼9包覆在屏蔽筒B8外，也即堆芯I外沿徑向自內(nèi)向外依次布置有屏蔽筒A7、環(huán)形冷卻器6、屏蔽筒B8。
[0048]本實(shí)施例中的壓氣機(jī)2采用本領(lǐng)域常見的壓氣機(jī)，例如但不限于采用專利申請(qǐng)201210208803.7中的壓氣機(jī)，壓氣機(jī)是利用高速旋轉(zhuǎn)的葉輪葉片給空氣作功以提高空氣壓力的部件，一般包括殼體，殼體上具有進(jìn)口和出口、葉輪、轉(zhuǎn)動(dòng)軸。透平3是將流體介質(zhì)中蘊(yùn)有的能量轉(zhuǎn)換成機(jī)械功的機(jī)器，又稱渦輪，包括透平軸、葉輪、葉片、流體入口、流體出口等機(jī)構(gòu)，本實(shí)施例中采用本領(lǐng)域常見的透平機(jī)。
[0049]本實(shí)施例中，堆芯I是固定于發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的核心部件，其采用設(shè)有中心孔道的圓柱狀結(jié)構(gòu)，主軸5穿過堆芯I的中心孔道，壓氣機(jī)2、透平3、發(fā)電機(jī)4通過主軸5依次同軸布置，本實(shí)施例中壓氣機(jī)2的葉輪、透平3的葉輪、發(fā)電機(jī)4的電樞安裝在主軸5上，使壓氣機(jī)2的葉輪、透平3的葉輪、發(fā)電機(jī)4的電樞同時(shí)且隨主軸5轉(zhuǎn)動(dòng)，使超臨界二氧化碳從堆芯I流出后垂直于透平3的葉片進(jìn)入透平3做功，前述結(jié)構(gòu)的設(shè)置以及環(huán)形冷卻器6采用環(huán)形結(jié)構(gòu)，使得整個(gè)動(dòng)力供給裝置對(duì)稱設(shè)置、非常規(guī)則，避免動(dòng)力供給裝置不規(guī)則導(dǎo)致重力分布造成控制難度的增加。實(shí)際應(yīng)用中，壓氣機(jī)2的葉輪、透平3的葉輪、發(fā)電機(jī)4的電樞可以采用不同的軸，但通過聯(lián)軸器相連;也可以將壓氣機(jī)2的葉輪、透平3的葉輪安裝在主軸5上，發(fā)電機(jī)4的電樞通過聯(lián)軸器與透平3的葉輪相連實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)4與透平的連接。壓氣機(jī)2、透平3、發(fā)電機(jī)4的安裝為現(xiàn)有技術(shù)，本實(shí)施例中不再贅述。
[0050]本實(shí)施例中，屏蔽筒A7的兩端與屏蔽筒B8的兩端不接觸，環(huán)形冷卻器6的兩端均與屏蔽筒B8的兩端不接觸;所述壓氣機(jī)2的外側(cè)22、屏蔽筒A7的后端面72、環(huán)形冷卻器6的后端面62、屏蔽筒B8的后部側(cè)壁83和屏蔽筒B8的后端壁84構(gòu)成第一腔體C;所述透平3的外側(cè)32、屏蔽筒A7的前端面74、環(huán)形冷卻器6的前端面61、屏蔽筒B8的前部側(cè)壁81和屏蔽筒B8的前端壁82構(gòu)成第二腔體E;所述壓氣機(jī)2的進(jìn)口與第一腔體C連通、壓氣機(jī)2的出口與加熱腔D連通;所述透平3的流體入口與加熱腔D連通、透平3的流體出口與第二腔體E連通;所述環(huán)形冷卻器6內(nèi)設(shè)置有供超臨界二氧化碳流動(dòng)的流道，該流道與第一腔體C和第二腔體E均連通;所述發(fā)電機(jī)4位于第二腔體E內(nèi)。
[0051]上述壓氣機(jī)2的外側(cè)22的是指壓氣機(jī)2的遠(yuǎn)離堆芯I的一側(cè)，壓氣機(jī)2的內(nèi)側(cè)21是指壓氣機(jī)2的靠近堆芯I的一側(cè)；上述透平3的外側(cè)32是指透平3的遠(yuǎn)離堆芯I的一側(cè)，透平3的內(nèi)側(cè)31是指透平3的靠近堆芯I的一側(cè)。
[0052]上述環(huán)形冷卻器6的前端面61是指環(huán)形冷卻器6的靠近透平3的一端的端面，環(huán)形冷卻器6的后端面62是指環(huán)形冷卻器6的靠近壓氣機(jī)2的一端的端面;在圖2中，環(huán)形冷卻器6的前端面61即環(huán)形冷卻器6的上端面，環(huán)形冷卻器6的后端面62即下端面。
[0053]上述屏蔽筒A7的前端面74是指屏蔽筒A7靠近透平3的一端的端面，屏蔽筒A7的后端面72是指屏蔽筒A7靠近壓氣機(jī)2的一端的端面;在圖2中，屏蔽筒A7的前端面74即屏蔽筒A7的上端面，屏蔽筒A7的后端面72即屏蔽筒A7的下端面。
[0054]上述屏蔽筒B8的前部側(cè)壁81是指屏蔽筒B8的靠近透平3附近的側(cè)壁，屏蔽筒B8的后部側(cè)壁83是指屏蔽筒B8的靠近壓氣機(jī)2附近的側(cè)壁；屏蔽筒B8的前端壁82是指屏蔽筒B8靠近透平3的一端的端壁，屏蔽筒B8的后端壁84是指屏蔽筒B8靠近壓氣機(jī)2的一端的端壁。在圖2中，屏蔽筒B8的前部側(cè)壁81即屏蔽筒B8的上部側(cè)壁，后部側(cè)壁83即下部側(cè)壁；屏蔽筒B8的前端壁83即屏蔽筒B8的上端壁，后端壁84即下端壁。
[0055]本實(shí)施例中的動(dòng)力供給裝置的工作基本原理為:堆芯I內(nèi)部充滿核燃料，發(fā)生可控的鏈?zhǔn)胶肆炎兎磻?yīng)，以超臨界二氧化碳為冷卻劑，采用布雷頓熱力循環(huán)模式，利用超臨界二氧化碳將核燃料中產(chǎn)生的熱能帶出，超臨界二氧化碳直接進(jìn)入透平3做功。
[0056]動(dòng)力供給裝置中超臨界二氧化碳的流動(dòng)如圖3所示，超臨界二氧化碳經(jīng)壓氣機(jī)2升壓后，在加熱腔D內(nèi)，超臨界二氧化碳由堆芯I的外環(huán)腔(堆芯I與屏蔽筒A7之間的環(huán)形腔體也即上述屏蔽筒A7與堆芯I之間的間隙)沿徑向進(jìn)入堆芯I，經(jīng)核燃料加熱后進(jìn)入內(nèi)環(huán)腔(堆芯I與主軸5之間的環(huán)形腔體)，然后沿軸向進(jìn)入透平3做功，再進(jìn)入第二腔體E，透平3帶動(dòng)發(fā)電機(jī)4發(fā)電。超臨界二氧化碳進(jìn)入第二腔體E后再進(jìn)入布置于外側(cè)的環(huán)形冷卻器6冷卻，流出環(huán)形冷卻器6后進(jìn)入第一腔體C，最后再次進(jìn)入壓氣機(jī)2升壓，以此循環(huán)做功。在加熱腔D內(nèi)，少部分超臨界二氧化碳可以直接從外環(huán)腔或內(nèi)環(huán)腔通過而不經(jīng)過堆芯，也能被加熱。
[0057]如圖1所示，堆芯I包括中空?qǐng)A筒狀的圍筒101、中空?qǐng)A筒狀的內(nèi)部支撐筒102、圓環(huán)狀的上部支撐板104、圓環(huán)狀的下部支撐板103、核燃料組件100;
[0058]所述圍筒101套設(shè)在內(nèi)部支撐筒102外，且二者軸線重合，內(nèi)部支撐筒102與圍筒101之間構(gòu)成一個(gè)環(huán)形空腔;所述下部支撐板103和上部支撐板104分別安裝在環(huán)形空腔兩端，且下部支撐板103和上部支撐板104均連接在內(nèi)部支撐筒102和圍筒101之間；
[0059]所述核燃料組件100安裝在所述環(huán)形空腔內(nèi)；所述圍筒101內(nèi)壁還設(shè)置有一層中子反射層105;所述內(nèi)部支撐筒102、圍筒101、中子反射層105上均開設(shè)有供超臨界二氧化碳通過的流體通孔107。
[0060]本實(shí)施例中，中空?qǐng)A筒狀的內(nèi)部支撐筒102內(nèi)部的空腔就構(gòu)成了堆芯I的中心孔道，主軸5就從內(nèi)部支撐筒102內(nèi)部的空腔穿過。
[0061]進(jìn)一步地，所述下部支撐板103上設(shè)置有支撐裝置106，所述核燃料組件100安裝在支撐裝置106上。本實(shí)施例中，支撐裝置106采用支撐柱對(duì)核燃料組件100進(jìn)行支撐，實(shí)際應(yīng)用中，支撐裝置106也可以采用現(xiàn)有技術(shù)中堆芯常用的結(jié)構(gòu)格架、支撐架等。
[0062]上述中子反射層105用于反射高速中子，可以采用氧化鋁或石墨或不銹鋼。
[0063]上述堆芯I的燃料裝載、控制棒布置等技術(shù)同現(xiàn)有技術(shù)，本實(shí)施例中不再贅述。
[0064]本實(shí)施例中，屏蔽筒A7和屏蔽筒B8構(gòu)成防輻射屏蔽裝置，均采用核輻射屏蔽材料制成，例如但不限于采用鉛、鎢、衰變后的鈾等重金屬或屏蔽混凝土、硼鋼、鉛硼聚乙烯等屏蔽復(fù)合材料等常用輻射材料。
[0065]本實(shí)施例中，還提供一種核動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)，該核動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)包括機(jī)殼9和動(dòng)力裝置，所述動(dòng)力裝置為本實(shí)施例中的核動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力供給裝置，所述機(jī)殼9包覆在動(dòng)力供給裝置的屏蔽筒B8外。
[0066]本實(shí)施例中的動(dòng)力供給裝置采用一體化布局方式，結(jié)構(gòu)高度緊湊，無任何管道和閥門，以此達(dá)到大幅度精簡(jiǎn)防輻射屏蔽裝置的目的，從而整體上實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)重量輕、體積小、安全可靠的目標(biāo)，可以應(yīng)用于陸地、航空、海上對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)體積、重量有要求的場(chǎng)所(要求發(fā)動(dòng)機(jī)體積小、重量輕)。本實(shí)施例中的采用超臨界二氧化碳作為堆芯冷卻劑，利用超臨界二氧化碳擬臨界區(qū)物性突變現(xiàn)象，將壓氣機(jī)運(yùn)行點(diǎn)設(shè)置在擬臨界溫度附近的小密度區(qū)，將透平運(yùn)行點(diǎn)設(shè)置在擬臨界溫度之后的大密度區(qū)，可以降低壓縮功耗，實(shí)現(xiàn)高效率輸出。此夕卜，超臨界二氧化碳有利于提高堆芯溫度，滿足堆芯熱工安全限制，更有利于整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊和微型化。而超臨界二氧化碳性能穩(wěn)定、密度適中，對(duì)溫度要求相對(duì)較低，能夠在較低溫度下實(shí)現(xiàn)超臨界，其作為冷卻劑壓縮功耗較小，能夠使堆芯保持較高的凈效率輸出。
[0067]本實(shí)施例中的環(huán)形冷卻器6位于屏蔽筒A7和屏蔽筒B8之間，覆蓋于屏蔽筒A7的外表面，超臨界二氧化碳在其內(nèi)部進(jìn)行循環(huán)流動(dòng)，將多余熱量再通過屏蔽筒B8和外殼9帶出發(fā)動(dòng)機(jī)。堆芯I燃料組件本身帶有的防輻射屏障為其第一道輻射防護(hù)屏障；屏蔽筒A7構(gòu)成第二道輻射防護(hù)屏障；屏蔽筒B8將發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的涉核部件和放射性物質(zhì)封裝起來，起到輻射防護(hù)的作用，是發(fā)動(dòng)機(jī)的第三道輻射防護(hù)屏障。機(jī)殼9在最外側(cè)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)其它部件起一定的保護(hù)作用。屏蔽筒B8上和機(jī)殼9上開設(shè)有供輸出動(dòng)力的電纜穿過的通孔，但是穿過這些通孔的管件與屏蔽筒B8之間應(yīng)進(jìn)行良好的密封，防止核輻射，這些密封技術(shù)可以采用現(xiàn)有核電站中常用的密封技術(shù)實(shí)現(xiàn)，此處不再詳述。
[0068]實(shí)施例2:
[0069]在實(shí)施例1的基礎(chǔ)上，本實(shí)施例中對(duì)核動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力供給裝置進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn):透平3與屏蔽筒A7之間連接有第一擋板11，壓氣機(jī)2與屏蔽筒A7之間連接有第二擋板12;保障超臨界二氧化碳全部從壓氣機(jī)2進(jìn)入堆芯I，從透平3流出，使得超臨界二氧化碳的做功效果更好。
[0070]這樣，加熱腔D由屏蔽筒A7的內(nèi)壁73、壓氣機(jī)2的內(nèi)偵臨1、透平3的內(nèi)側(cè)31、第一擋板
11、第二擋板12合圍形成；
[0071]第一腔體C由壓氣機(jī)2的外側(cè)22、屏蔽筒A7的后端面72、環(huán)形冷卻器6的后端面62、屏蔽筒B8的后部側(cè)壁83、屏蔽筒B8的后端壁84、第二擋板12合圍而成；
[0072]第二腔體E由透平3的外側(cè)32、屏蔽筒A7的前端面71、環(huán)形冷卻器6的前端面61、屏蔽筒B8的前部側(cè)壁81、屏蔽筒B8的前端壁82、第一擋板11合圍而成；
[0073]進(jìn)一步地，透平3和屏蔽筒A7與第一擋板11均密封連接，壓氣機(jī)2與屏蔽筒A7與第二擋板12均密封連接，將堆芯I密封在屏蔽筒A7內(nèi)。
[0074]具體地，壓氣機(jī)2的外殼與第二擋板12密封連接，并使壓氣機(jī)2的進(jìn)口位于第二擋板12的遠(yuǎn)離堆芯I的一側(cè)、出口位于第二擋板12的靠近堆芯I的一側(cè)。透平3的外殼與第一擋板11密封連接，使透平3的流體入口被密封在第一擋板11的靠近堆芯的一側(cè)、流體出口被密封在第一擋板11的遠(yuǎn)離堆芯的一側(cè)。
[0075]此外，進(jìn)一步，還可以在壓氣機(jī)2的殼體與主軸5相接觸的位置設(shè)計(jì)動(dòng)密封結(jié)構(gòu)，防止超臨界二氧化碳從主軸5與殼體之間的縫隙通過。同樣，透平3的殼體與主軸5相接觸的位置也設(shè)計(jì)有動(dòng)密封結(jié)構(gòu)。前述動(dòng)密封機(jī)構(gòu)可以采用現(xiàn)有技術(shù)中的旋轉(zhuǎn)軸動(dòng)密封結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)軸動(dòng)密封為現(xiàn)有技術(shù)，本實(shí)施例中不再贅述。
[0076]本方案中，堆芯I的燃料帶有的防輻射屏障為其第一道輻射防護(hù)屏障;透平3、壓氣機(jī)2與屏蔽筒A7密封連接，將堆芯I進(jìn)行密封，是除核燃料之外的第二道輻射防護(hù)屏障，確保放射性物質(zhì)不發(fā)生泄漏；屏蔽筒B8將發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的涉核部件和放射性物質(zhì)進(jìn)行密封，起到輻射防護(hù)的作用，是發(fā)動(dòng)機(jī)的第三道輻射防護(hù)屏障，進(jìn)一步增強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)的輻射防護(hù)效果。此夕卜，透平3和壓氣機(jī)2均與屏蔽筒A7密封連接，能夠保障超臨界二氧化碳全部從壓氣機(jī)2進(jìn)入堆芯I，從透平3流出，使得超臨界二氧化碳的做功效果更好，換能更徹底。
[0077]實(shí)施例3:
[0078]在實(shí)施例1或?qū)嵤├?的基礎(chǔ)上，本實(shí)施例對(duì)動(dòng)力供給裝置進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn):
[0079]所述堆芯I的靠近透平3的一端與屏蔽筒A7還進(jìn)行密封連接;具體地，如圖6所示:屏蔽筒A7的內(nèi)壁上具有一個(gè)環(huán)形凸起71，所述堆芯I的靠近透平3的一端正對(duì)環(huán)形凸起71，且堆芯I的靠近透平3的一端與該環(huán)形凸起71密封連接，環(huán)形凸起71可以阻擋超臨界二氧化碳，防止超臨界二氧化碳不經(jīng)堆芯I直接進(jìn)入透平3，使得所有超臨界二氧化碳都經(jīng)堆芯I加熱后進(jìn)入透平3做功，提高發(fā)電效率;環(huán)形凸起71連接在堆芯I的靠近透平3的一端的外壁上，使屏蔽筒A7與堆芯I之間的間隙更長(zhǎng)，超臨界二氧化碳能夠從堆芯I更大面積的外壁進(jìn)入堆芯。
[0080]實(shí)施例4:
[0081]在實(shí)施例1至實(shí)施例3的任一實(shí)施例基礎(chǔ)上，本實(shí)施例對(duì)動(dòng)力供給裝置的環(huán)形冷卻器進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn):
[0082]如圖5和圖4所示，所述環(huán)形冷卻器6包括筒身、12根導(dǎo)流管67、2個(gè)環(huán)形端板63。
[0083]所述筒身由內(nèi)筒62和外筒61構(gòu)成，所述內(nèi)筒62包覆在屏蔽筒A7外;所述外筒61位于內(nèi)筒62外且二者同軸，外筒61的內(nèi)徑大于內(nèi)筒62的外徑；內(nèi)筒62和外筒61的兩端平齊；
[0084]所述筒身的兩端各連接一個(gè)環(huán)形端板63，即所述2個(gè)環(huán)形端板63分別連接在筒身的兩端，且環(huán)形端板63的內(nèi)壁面與內(nèi)筒62密封連接、外壁面與外筒61密封連接;每個(gè)環(huán)形端板63上開設(shè)有12個(gè)通孔64，且這12個(gè)通孔64繞內(nèi)筒62的圓周方向均勻分布；
[0085]所述內(nèi)筒62、外筒61和兩個(gè)環(huán)形端板63圍成的空腔構(gòu)成冷卻腔，所述冷卻腔內(nèi)填充有冷卻水；
[0086]所述導(dǎo)流管67位于冷卻腔內(nèi)，導(dǎo)流管67平行于主軸5，且導(dǎo)流管67的兩端各與一個(gè)環(huán)形端板63的通孔密封連接，即所述導(dǎo)流管67穿過冷卻腔、兩端密封連接在兩個(gè)環(huán)形端板63的通孔64內(nèi)，這樣:所有導(dǎo)流管67均勻分布在內(nèi)筒62四周；在環(huán)形端板63上，每個(gè)通孔64連接一個(gè)導(dǎo)流管67;這樣，內(nèi)筒62、外筒61、兩個(gè)環(huán)形端板63和導(dǎo)流管67的外壁構(gòu)成了一個(gè)密閉空腔，該密閉空腔內(nèi)填充有冷卻水。導(dǎo)流管67用于超臨界二氧化碳通過，超臨界二氧化碳通過導(dǎo)流管67時(shí)，冷卻腔內(nèi)的冷卻水對(duì)超臨界二氧化碳進(jìn)行冷卻。冷卻水將熱量傳遞給外筒61，外筒61再通過屏蔽筒B8、機(jī)殼9向外傳遞。
[0087]實(shí)際應(yīng)用中，通孔64、導(dǎo)流管67的數(shù)量可以根據(jù)使用需要設(shè)置，不僅限于本實(shí)施例中的12個(gè)。
[0088]以上僅是本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式，本實(shí)用新型的保護(hù)范圍并不僅局限于上述實(shí)施例，凡屬于本實(shí)用新型思路下的技術(shù)方案均屬于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實(shí)用新型原理前提下的若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，應(yīng)視為本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.核動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力供給裝置，其特征在于，包括: 堆芯(1)，其中心開設(shè)有貫穿堆芯(I)兩端的中心孔道； 主軸(5)，穿設(shè)在堆芯(I)的中心孔道內(nèi)，兩端伸出堆芯(I)，一端連接壓氣機(jī)(2)，另一端連接透平(3); 發(fā)電機(jī)(4)，與透平(3)相連； 屏蔽筒A(7)，套設(shè)在堆芯(I)外，且與堆芯(I)之間具有間隙； 環(huán)形冷卻器(6)，包覆在屏蔽筒A(7)外，且環(huán)形冷卻器(6)的中心軸與堆芯(I)的中心孔道的中心軸重合； 屏蔽筒B(S)，包覆在環(huán)形冷卻器(6)外，將壓氣機(jī)(2)、屏蔽筒A(7)、堆芯(1)、環(huán)形冷卻器(6)、主軸(5)、透平(3)、發(fā)電機(jī)(4)密封在其內(nèi)部； 所述屏蔽筒A(7)的內(nèi)壁(73)、壓氣機(jī)(2)的內(nèi)側(cè)(21)、透平(3)的內(nèi)側(cè)(31)之間構(gòu)成加熱腔D，所述加熱腔D內(nèi)填充有超臨界二氧化碳;所述壓氣機(jī)(2)的外側(cè)(22)、屏蔽筒A(7)的后端面(72)、環(huán)形冷卻器(6)的后端面(62)、屏蔽筒B(S)的后部側(cè)壁(83)和屏蔽筒B(S)的后端壁(84)構(gòu)成第一腔體C;所述透平(3)的外側(cè)(32)、屏蔽筒A(7)的前端面(74)、環(huán)形冷卻器(6)的前端面(61)、屏蔽筒B(8)的前部側(cè)壁(81)和屏蔽筒B(8)的前端壁(82)構(gòu)成第二腔體E;所述壓氣機(jī)(2)的進(jìn)口與第一腔體C連通，壓氣機(jī)(2)的出口與加熱腔D連通;所述透平(3)的流體入口與加熱腔D連通，透平(3)的流體出口與第二腔體E連通;所述環(huán)形冷卻器(6)內(nèi)設(shè)置有供超臨界二氧化碳流動(dòng)的流道，該流道與第一腔體C和第二腔體E均連通;所述發(fā)電機(jī)(4)位于第二腔體E內(nèi)； 所述堆芯(I)包括圍筒(101)、內(nèi)部支撐筒(102)、上部支撐板(104)、下部支撐板(103)、核燃料組件(100);所述圍筒(101)套設(shè)在內(nèi)部支撐筒(102)外，且二者軸線重合，內(nèi)部支撐筒(102)與圍筒(101)之間構(gòu)成一個(gè)環(huán)形空腔;所述下部支撐板(103)和上部支撐板(104)均呈圓環(huán)狀，分別安裝在環(huán)形空腔兩端，且下部支撐板(103)和上部支撐板(104)均連接在內(nèi)部支撐筒(102)和圍筒(101)之間；所述核燃料組件(100)安裝在所述環(huán)形空腔內(nèi)；所述圍筒(101)內(nèi)壁還設(shè)置有一層中子反射層(105);所述內(nèi)部支撐筒(102)、圍筒(101)、中子反射層(105)上均開設(shè)有供超臨界二氧化碳通過的流體通孔(107)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的核動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力供給裝置，其特征在于，所述下部支撐板(103)上設(shè)置有支撐裝置(106)，所述核燃料組件(100)安裝在支撐裝置(106)上。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的核動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力供給裝置，其特征在于，所述中心孔道的直徑不大于120mm。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的核動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力供給裝置，其特征在于，所述屏蔽筒A(7)與堆芯(I)之間的間隙的寬度不大于100mm。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的核動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力供給裝置，其特征在于，所述堆芯(I)的靠近透平(3)的一端與屏蔽筒A(7)密封連接。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的核動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力供給裝置，其特征在于，所述屏蔽筒A(7)呈中空?qǐng)A筒狀，其內(nèi)壁上還設(shè)置有一個(gè)環(huán)形凸起(71)，所述堆芯(I)的靠近透平(3)的一端正對(duì)環(huán)形凸起(71 )，且與該環(huán)形凸起(71)密封連接。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的核動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力供給裝置，其特征在于，所述環(huán)形凸起(71)連接在堆芯(I)的靠近透平(3)的一端的外壁上。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的核動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力供給裝置，其特征在于，所述屏蔽筒B(8)呈兩端封閉的圓筒狀結(jié)構(gòu)。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的核動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力供給裝置，其特征在于，所述屏蔽筒A(7)和屏蔽筒B(8)均采用核輻射屏蔽材料制成。10.核動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，包括機(jī)殼(9)和動(dòng)力裝置，所述動(dòng)力裝置為權(quán)利要求1至9中任一所述的核動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力供給裝置，所述機(jī)殼(9)包覆在屏蔽筒B(8)外。
【文檔編號(hào)】G21F3/00GK205582501SQ201620559987
【公開日】2016年9月14日
【申請(qǐng)日】2016年6月12日
【發(fā)明人】羅浩源
【申請(qǐng)人】羅浩源