Термоэмиссионный преобразователь с пассивным охлаждением для бортового источника электроэнергии высокоскоростного летательного аппарата с прямоточным воздушно-реактивным двигателем Российский патент 2019 года по МПК H01J45/00 

Изобретение относится к области термоэмиссионного преобразования тепловой энергии в электрическую, а именно к термоэмиссионным преобразователям (ТЭП), которые могут использоваться в составе бортовых источников электрической энергии для высокоскоростных летательных аппаратов (ВЛА) с прямоточными воздушно-реактивными двигателями (ПВРД).

В качестве бортовых источников электроэнергии для летательных аппаратов (ЛА) [Зонтов В.М., Куприн Б.В. Системы электроснабжения летательных аппаратов. М., ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 1988., 395 с] применяются химические источники тока (ХИТ) [Федотов Д.Б., Ялюшев Н.И., Мафтей А.Н. Опыт применения литий-тионилхлоридных источников тока в ракетно-космической технике. «Электрохимическая энергетика», 2013, Т. 13, №2, с. 90-95.], а также электромеханические генераторы (ЭМГ) с приводом от газотурбинного двигателя (ГТД) ЛА [Бертинов А.И. Авиационные электрические генераторы. - М.: Оборонгиз, 1959, 594 с] или от его вспомогательной силовой установки (ВСУ) [Павловский Н.И. Вспомогательные силовые установки самолетов. М.: «Транспорт», 1977, 240 с].

Недостатками такого подхода применительно к ВЛА с ПВРД являются:

- использование ВСУ возможно только на относительно крупных ЛА из-за снижения эффективности малогабаритных ГТД в связи с масштабными факторами (рост числа оборотов в минуту и влияния перетечек газа в радиальных зазорах, проблемы подшипников и т.д.);

- в ПВРД, в отличие от ГТД, отсутствует возможность отбора механической мощности на привод ЭМГ;

- размещение достаточно мощного ХИТ на борту ВЛА, конструкция которого в полете подвергается значительному аэродинамическому нагреву, осложняется необходимостью обеспечить охлаждение этого ХИТ до допустимых рабочих температур (для наиболее совершенных в настоящее время литий-тионил-хлоридных ХИТ не более 130°С).

В то же время, наличие на поверхностях ВЛА теплозащиты из материалов, выдерживающих температуру до нескольких сот градусов (в зонах, не подвергающихся непосредственному воздействию гиперзвукового потока), позволяет использовать такие поверхности в качестве холодильника-излучателя термодинамического цикла ТЭП тепловой энергии, выделяющейся в камере сгорания ПВРД, в электрическую, с пассивным охлаждением анода ТЭП тепловым излучением с наружной поверхности ВЛА.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по аналогичному использованию термоэмиссионного преобразования энергии является ТЭП с плоскими электродами для термоэмиссионной надстройки тепловой электростанции (ТЭС) [Авторское свидетельство СССР №771764, H01J 45/00, опубл. 15.10.1980]. Катод этого ТЭП выполнен в виде стакана из жаростойкого сплава, дно которого обогревается снаружи излучением факела пламени в котлоагрегате ТЭС и имеет с внутренней стороны эмиссионное покрытие. Внутри стакана коаксиально ему установлен металлокерамический гермоузел (МКУ), внутри которого, в свою очередь, размещается массивный анод, одновременно выполняющий функцию теплоотвода и образующий межэлектродный зазор (МЭЗ) с эмиссионным покрытием катодного стакана. Анод находится в тепловом контакте с трубами котлоагрегата, на которых установлен ТЭП и по которым циркулирует паро-водяная смесь, охлаждающая анод.

Недостатками такого устройства применительно к бортовым источникам электроэнергии для ВЛА с ПВРД являются:

- размещение катодов ТЭП внутри топки котлоагрегата ТЭС, обусловленное выполнением ими функции тепловой изоляции, способствующей организации жидкого шлакоудаления, а также относительно низкой скоростью газового потока в этой топке, нецелесообразно для камеры сгорания ПВРД, так как усложняет установку ТЭП бортового источника энергии и конструкцию этой камеры;

- охлаждение анодов ТЭП с использованием теплоносителя (в прототипе это паро-водяная смесь) усложняет конструкцию, экспериментальную отработку и эксплуатацию бортового источника электроэнергии, а также снижает его надежность и устойчивость к повреждениям отдельных ТЭП;

- отсутствие дистанционаторов межэлектродного зазора (МЭЗ) и сильфонного узла, обычно используемых для компенсации линейных тепловых расширений материалов, усложняют технологию сборки ТЭП и снижают его надежность.

Задачей изобретения является обеспечение установки ТЭП на ПВРД без усложнения конструкции его камеры сгорания, включение бортового источника электроэнергии в состав конструкции ВЛА, а также упрощение экспериментальной отработки этого источника, повышение его надежности и энергетической эффективности.

Поставленная задача решается за счет того, что в термоэмиссионном преобразователе, включающем выполненный в виде металлического стакана катод, дно которого обращено к источнику тепла и установленные внутри катодного стакана коаксиально друг другу металлокерамический гермоузел и анод, образующий межэлектродный зазор с дном катодного стакана, согласно изобретению катодный стакан расположен с зазором перпендикулярно наружной стенке прямоугольной камеры сгорания прямоточного воздушно-реактивного двигателя, дно катодного стакана снаружи снабжено покрытием с высокой степенью черноты, преобразователь содержит, по меньшей мере, один дистанционатор межэлектродного зазора и сильфонный узел, а анод снабжен тепловодом, который через слой электороизоляционного материала соединен с холодильником - излучателем, выполненным в виде усеченной конической пирамиды, большее основание которой, обращенное к окружающему пространству, ограничено шестью или четырьмя боковыми гранями. При этом сильфонный узел, размещен снаружи катодного стакана коаксиально последнему, катодный стакан снабжен наружным кольцевым выступом, окружающим его дно, при этом ширина выступа достаточна для экранирования сильфонного узла от теплового излучения стенки камеры сгорания. Упомянутое покрытие с высокой степенью черноты, нанесенное снаружи на дно катодного стакана, выполнено на основе углеродных материалов.

Сущность заявленного технического решения поясняется чертежами, представленными на фиг. 1 и 2. На фиг. 1 схематически изображен ТЭП, размещенный вблизи стенки 1 камеры сгорания ПВРД, имеющей прямоугольное поперечное сечение. Катод ТЭП выполнен в виде стакана 2, дно которого снаружи нагрето излучением со стенки камеры до температуры ~1500°С. С внутренней стороны дно стакана имеет эмиссионное покрытие 3, а с наружной - покрытие с высокой степенью черноты 4. Внутри катодного стакана коаксиально ему расположены металлокерамический гермоузел 5 для взаимной электроизоляции электродов, а затем анод 6, снабженный тепловодом 7, который через слой электроизоляционного материала 8 соединен с холодильником - излучателем 9, охлаждающим анод до температуры ~650°С. Катодный стакан, в свою очередь, вставлен внутрь сильфонного узла 10, обеспечивающего компенсацию тепловых расширений материалов и герметизацию полости межэлектродного зазора, поддерживаемого с помощью дистанционаторов 11. При этом сильфонный узел защищен от теплового излучения камеры сгорания кольцевым выступом стенки катодного стакана у его дна. Катодный электрический вывод 12 и анодный электрический вывод 13 электрические выводы служат для взаимной коммутации отдельных ТЭП в составе бортового источника электроэнергии. На фиг. 2 показан порядок размещения соседних ТЭП 14, которые с помощью винтов 15 в гексагональном или шахматном порядке установлены на перфорированной пластине 16, защищенной от теплового излучения камеры сгорания слоем теплоизоляции 17 из углеродного войлока. При этом их холодильники - излучатели совместно образуют фрагмент наружной поверхности ВЛА.

Решение поставленной задачи обеспечивается выбранным расположением ТЭП относительно камеры сгорания ПВРД, наличием соединенного тепловодом через слой электроизоляционного материала с анодом холодильника-излучателя и формой этого излучателя, покрытия с высокой степенью черноты на наружной поверхности катодного стакана, а также, по меньшей мере, одного дистанционатора межэлектродного зазора и сильфонного узла, размещением этого узла относительно катодного стакана и наличием кольцевого выступа, окружающего дно стакана.

В частности, расположение катодного стакана ТЭП снаружи прямоугольной камеры сгорания ПВРД перпендикулярно ее стенке и с зазором между снабженным покрытием с высокой степенью черноты дном стакана и этой стенкой позволяет не изменяя существующую конструкцию ПВРД установить такой ТЭП, а его автономная конструкция с собственной пассивной системой охлаждения в виде излучателя, упрощает экспериментальную отработку и повышает надежность предлагаемого бортового источника электроэнергии, вследствие устойчивости этого источника к повреждениям (в т.ч. боевым) отдельных ТЭП. Выбранная форма холодильника-излучателя позволяет включить бортовой источник электроэнергии в состав конструкции ВЛА путем совмещения функций этого излучателя и тепловой защиты наружной поверхности летательного аппарата. Наличие сильфонного узла и дистанционаторов МЭЗ упрощает сборку ТЭП и способствует повышению его надежности. Размещение сильфонного узла снаружи катодного стакана, в зоне, защищенной от нагрева тепловым излучением стенки камеры сгорания, способствует уменьшению длины тепловода, благодаря чему снижается разность температур анода и холодильника-излучателя, а, следовательно, повышается эффективность преобразования энергии. Таким образом, указанная совокупность новых признаков позволяет решить комплексную задачу изобретения.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.

Катодный стакан с габаритным (по кольцевому выступу вокруг его дна) диаметром ~73 мм выполняли из молибдена, защищенного снаружи от высокотемпературной коррозии покрытием на основе силицида молибдена. Дно стакана снаружи имело дополнительное жаростойкое покрытие толщиной до 3 мм с высокой степенью черноты на основе углеродных материалов, а изнутри - эмиссионное покрытие в виде слоя монокристаллического вольфрама толщиной ~100 мкм. Анод выполняли в виде биметаллической конструкции, состоящей из ниобиевого электрода и медного тепловода, защищенного от коррозионного воздействия внешней среды хромированием или никелированием. Дистанционаторы МЭЗ, диаметром ~2-3 мм в количестве 4 шт. были выполнены из керамики на основе оксидов скандия или алюминия. МКУ содержал изолятор из оксида алюминия, например, монокристаллического, и манжеты из никелевых сплавов. Наружный диаметр сильфонного узла составлял ~50 мм, вследствие чего этот узел экранируется от теплового излучения кольцевым выступом стенки катодного стакана шириной ~10 мм. Тепловод, которым снабжен анод, приклеен к холодильнику - излучателю диаметром ~150 мм из графита, защищенного от внешней среды поверхностным силицированием, высокотемпературным алюмосиликатным клеем типа НС [Сычев М.М. Неорганические клеи. Л., «Химия», 1986, 152 с.], образующим между тепловодом и холодильником слой электроизоляционного материала толщиной ~0,2 мм. Холодильник-излучатель с помощью трех винтов крепился к перфорированной пластине из нержавеющей стали, защищенной от теплового излучения электронагревателя, имитировавшего стенку камеры сгорания ПВРД прямоугольной формы, теплоизоляцией из углеродного войлока. В процессе стендовых испытаний ТЭП в номинальном режиме (выходная мощность ~75 Вт при температуре катода до 1500°С) температура холодильника-излучателя не превышала 600°С.

Изобретение относится к области термоэмиссионного преобразования тепловой энергии в электрическую, а именно к термоэмиссионным преобразователям (ТЭП), которые могут использоваться в составе бортовых источников электрической энергии для высокоскоростных летательных аппаратов (ВЛА) с прямоточными воздушно-реактивными двигателями (ПВРД). В термоэмиссионном преобразователе, включающем выполненный в виде металлического стакана катод, дно которого обращено к источнику тепла, и установленные внутри катодного стакана коаксиально друг другу металлокерамический гермоузел и анод, образующий межэлектродный зазор с дном катодного стакана, катодный стакан расположен с зазором перпендикулярно наружной стенке прямоугольной камеры сгорания прямоточного воздушно-реактивного двигателя. При этом дно катодного стакана снаружи снабжено покрытием с высокой степенью черноты, преобразователь содержит по меньшей мере один дистанционатор межэлектродного зазора и сильфонный узел, а анод снабжен тепловодом, соединенным через слой электроизоляционного материала с холодильником-излучателем, выполненным в виде усеченной конической пирамиды, большее основание которой, обращенное к окружающему пространству, ограничено шестью или четырьмя боковыми гранями. Технический результат - обеспечение возможности установки ТЭП на ПВРД без усложнения конструкции его камеры сгорания, включение бортового источника электроэнергии в состав конструкции ВЛА, а также упрощение экспериментальной отработки этого источника, повышение его надежности и энергетической эффективности. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Термоэмиссионный преобразователь, включающий выполненный в виде металлического стакана катод, дно которого обращено к источнику тепла, и установленные внутри катодного стакана коаксиально друг другу металлокерамический гермоузел и анод, образующий межэлектродный зазор с дном катодного стакана, отличающийся тем, что катодный стакан расположен с зазором перпендикулярно наружной стенке прямоугольной камеры сгорания прямоточного воздушно-реактивного двигателя, дно катодного стакана снаружи снабжено покрытием с высокой степенью черноты, преобразователь содержит по меньшей мере один дистанционатор межэлектродного зазора и сильфонный узел, а анод снабжен тепловодом, соединенным через слой электроизоляционного материала с холодильником-излучателем, выполненным в виде усеченной конической пирамиды, большее основание которой, обращенное к окружающему пространству, ограничено шестью или четырьмя боковыми гранями.

2. Термоэмиссионный преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что сильфонный узел размещен снаружи катодного стакана коаксиально последнему, а катодный стакан снабжен наружным кольцевым выступом, окружающим его дно, при этом ширина выступа достаточна для экранирования сильфонного узла от теплового излучения стенки камеры сгорания.

3. Термоэмиссионный преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что покрытие с высокой степенью черноты, нанесенное на дно катодного стакана, выполнено на основе углеродных материалов.