Термоэмиссионный преобразователь для бортового источника электрической энергии
THERMIONIC CONVERTER FOR ON-BOARD ELECTRIC POWER SOURCE

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 летательных аппаратов (ЛА) с прямоточными воздушно-реактивными двигателями (ПВРД).
Известен термоэмиссионный преобразователь с коаксиальными цилиндрическими электродами (Фризингер Г., Истмен Г. 3-х квт ТЭП на природном топливе. - «Прямое преобразование тепловой энергии в электрическую и топливные элементы». Информ. Бюл. М, изд. ВИНИТИ, 1970, вып. 5, с. 148) для термоэмиссионных надстроек тепловых электростанций (ТЭС). В конструкции такого ТЭП тепло от камеры сгорания передается эмиттеру тепловой трубой.
Недостатками такого устройства применительно к бортовым источникам электроэнергии для ЛА с ПВРД являются:
- значительные осевые габариты электродов, не позволяющие разместить ТЭП в ПВРД;
- сложность конструкции и эксплуатации, связанная с необходимостью использования высокотемпературных (>1300°С) тепловых труб.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по решаемой задаче является термоэмиссионный преобразователь с плоскими электродами для термоэмиссионной надстройки ТЭС (Авторское свидетельство СССР №771764, H01J 45/00, заявл. 12.12.1978). 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 и коаксиально ему установлен металлокерамический узел (МКУ), внутри которого, в свою очередь, размещается массивный анод, одновременно выполняющий функцию теплоотвода и образующий межэлектродный зазор (МЭЗ) с эмиссионным покрытием катодного стакана. Размещение МКУ внутри катодного стакана, а также отказ от использования дистанционаторов и сильфонного узла, которые обычно используется в ТЭП для компенсации линейных тепловых расширений и надежного дистанционирования МЭЗ, способствует уменьшению суммарных осевых габаритов рассматриваемого ТЭП.
Однако, полученные габариты все же не позволяют разместить ТЭП в пространстве между горячей и холодной стенками камеры сгорания ПВРД, характерное расстояние между которыми не превышает 25 мм. Дальнейшее сокращение осевых габаритов ТЭП за счет уменьшения высоты катодного стакана делает неоптимальным значение теплового сопротивления его стенки. Оптимизировать же это сопротивление за счет уменьшения толщины стенки невозможно, так как эта толщина лимитируется требованиями прочности и вакуумной плотности. В результате возрастают утечки тепла по периферии катода, что ведет к неравномерности температуры катода и в конечном итоге, к снижению эффективности термоэмиссионного преобразования энергии.
Задачей изобретения является создание ТЭП, который возможно применить в качестве бортового источника электроэнергии летательного аппарата с ПВРД.
Технический результат заключается в реализации назначения -возможности применения в качестве бортового источника электроэнергии летательного аппарата с ПВРД. Соответственно дополнительно достигается уменьшение осевых габаритов ТЭП без снижения эффективности преобразования энергии и надежности дистанционирования межэлектродного зазора.
Поставленная задача решается за счет того, что ТЭП дополнительно содержит по меньшей мере один дистанционатор межэлектродного зазора, а также сильфонный узел, размещенный снаружи катодного стакана коаксиально последнему, причем катодный стакан снабжен наружным кольцевым выступом, окружающим дно стакана и имеющим ширину, достаточную для экранирования сильфонного узла от источника тепла.
Для целей настоящего описания под термином сильфонный узел должно пониматься следующее. Сильфонный узел это упругая однослойная или многослойная гофрированная оболочка из металлических, неметаллических и композиционных материалов, сохраняющая прочность и герметичность при многоцикловых деформациях сжатия, растяжения, изгиба и их комбинаций под воздействием внутреннего или внешнего давления, температуры и механических напряжений. В настоящем изобретении сильфонный узел также решает и задачу герметизации, а главное теплоизоляции.
Сущность заявленного технического решения поясняется фиг. 1, на которой схематически изображен ТЭП, размещенный между горячей стенкой 1 и холодной стенкой 2 камеры сгорания ПВРД. Катод ТЭП выполнен в виде катодного стакана 3, дно которого снаружи нагрето излучением с горячей стенки камеры сгорания, имеющей температуру ~1600-1700°С. Внутренняя сторона дна стакана является эмиссионной поверхностью. Вокруг дна имеется кольцевой выступ, затеняющий пространство вблизи стенки стакана от теплового излучения. Внутри катодного стакана 3 коаксиально ему расположены металлокерамический узел 4, осуществляющий взаимную электроизоляцию электродов ТЭП, а затем массивный анод 5, охлаждаемый холодной стенкой 2 камеры сгорания через слой электроизоляции 6. Катодный стакан 3, в свою очередь, вставлен внутрь сильфонного узла 7. Сильфонный узел обеспечивает герметизацию полости межэлектродного зазора и поддержание этого зазора с помощью дистанционатора 8 из электроизоляционного материала при компенсации тепловых расширений электродов. При этом узел размещен в вышеупомянутом затененном пространстве у стенки стакана. Катодный электрический вывод 9 и анодный электрический вывод 10 служат для токоподвода к соответствующим электродам ТЭП.
Решение поставленной задачи обеспечивается наличием дистанционаторов и сильфонного узла, а также выбранным расположением этого узла. При этом тепловое сопротивление на участке эмиссионная поверхность - катодный токовывод увеличивается почти вдвое, а нагрев кольцевого выступа вокруг дна катодного стакана, компенсирует утечки тепла в стенку этого стакана, что увеличивает и значение оптимального теплового сопротивление стенки. Сильфонный узел также играет роль двойного экрана, уменьшающего радиационный поток тепла со стенки катодного стакана в окружающее пространство почти втрое. Это позволяет уменьшать высоту катодного стакана без снижения эффективности преобразования энергии, за счет чего можно примерно вдвое уменьшить осевые габариты ТЭП.
Рассмотрим вариант осуществления настоящего изобретения.
Катодный стакан с наружным диаметром ~44 мм с кольцевым выступом шириной ~10 мм вокруг его дна выполнен из тугоплавкого металла, например молибдена, защищенного снаружи от высокотемпературной коррозии покрытием на основе силицида молибдена. Снаружи дно катодного стакана имеет дополнительное жаростойкое покрытие толщиной до 3 мм на основе углеродных материалов, показанное на чертеже позицией 11, а изнутри - эмиссионное покрытие в виде слоя монокристаллического вольфрама толщиной ~100 мкм. Анод выполнен в виде биметаллической конструкции, состоящей из ниобиевого электрода, и медного тепловода, защищенных от коррозионного воздействия внешней среды хромированием или никелированием. Дистанционатор МЭЗ, диаметром ~2-3 мм выполнен из керамики на основе окиси скандия или алюминия. МКУ содержит изолятор из окиси алюминия, например, монокристаллической, и манжеты из никелевых сплавов. Сильфонный узел имеет наружный диаметр ~64 мм, поэтому для его экранирования от горячей стенки камеры сгорания достаточно кольцевого выступа шириной ~10 мм вокруг дна катодного стакана. При этом общая высота конструкции не превысит 25 мм.
Устройство работает следующим образом.
ТЭП установлен в зазор между горячей и холодной стенками камеры сгорания ПВРД, например, ПВРД ракеты П-800 (https://ru.wikipedia.org/wiki/Оникс_(противокорабельная_ракета)), или ПВРД любого другого известного или проектируемого ЛА. За счет нагревания дна стакана катода возрастает энергия электронов в металле, в следствие чего появляются электроны, обладающие энергией выше работы выхода. При подаче на анод положительного напряжения, в цепи возникает электрический ток, который и используется для питания бортовых систем ЛА. Дистанционатор и сильфонный узел обеспечивают соответственно постоянство МЭЗ и снижение утечек тепла по стенкам стакана. При этом именно за счет предложенной оригинальной компоновки конструктивных элементов возможно решение поставленной задачи - обеспечении возможности использования ТЭП в зазоре между горячей и холодной стенками камеры сгорания ПВРД, где расстояния имеют порядок 20-30 мм.