Устройство системы охлаждения двигательной установки
COOLING SYSTEM DEVICE OF THE PROPULSION SYSTEM

Изобретение относится к ракетно-космической технике, а именно к устройству двигательных установок. Во всех разрабатываемых объектах ракетно-космической техники имеются термонапряженные элементы (камеры энергодвигательных установок, двигательные установки типа Aerospike). В данных термонапряженных элементах возникают температурные напряжения, вызванные разностью температур по термонапряженному элементу, которые могут достигать половины значения суммарных напряжений в данных конструкциях. Одним из перспективных методов уменьшения температуры центрального тела многокамерной двигательной установки является применение термоэмиссионного охлаждения.
Известна двигательная установка с плоским центральным телом по патенту РФ на полезную модель №206666, которая включает в своем составе плоское центральное тело, выполненное в виде клина, и два ряда круглых камер сгорания со сверхзвуковыми соплами с общей плоской камерой-коллектором, которая содержит плоскую щель для истечения сверхзвуковой струи.
Недостатками аналога является низкая надежность из-за избыточного нагрева центрального тела истекающими продуктами сгорания. В компоновке заявленного аналога двигательной установки с центральным телом не заявлена организация системы охлаждения центрального тела.
Ближайшим аналогом заявленного изобретения является многокамерная двигательная установка с центральным телом, описанная в статье (см., например, Giacomo Ercole Erik Garofalo and etc. «N2O-Cooled Aerospike for a Hybrid Rocket Motor: Nitrous Oxide Characterization and Additive Manufacturing», доступно онлайн https://www.researchgate.net/publication/318296322_N2O-Cooled_Aerospike_for_a_Hybrid_Rocket_Motor_Nitrous_Oxide_Characterization_and_Additive_Manufacturing) которая включает в своем составе коническое центральное тело, с организованной системой охлаждения по регенеративному типу. Центральное тело с системой охлаждения состоит из двух входных труб, которые образуют коллектор из пяти кольцевых охлаждающих каналов. Эти каналы выходят в двадцать отдельных выпускных отверстий, которые затем сходятся в единую центральную трубу вдоль оси главного сопла.
Ближайший аналог работает следующим образом. В начальный момент работы поток продуктов сгорания с высокой температурой выходит из сопел камер сгорания и движется вдоль сплошного центрального тела, нагревая его. Охлаждение центрального тела сопла двигателя, осуществляется по типу регенеративного охлаждения, с помощью организации охлаждающих каналов. Топливо сначала используется в качестве хладагента для центрального тела, а затем повторно впрыскивается в камеру сгорания. Удельный импульс системы улучшен за счет регенерированного нагрева.
Основным недостатком ближайшего аналога является увеличение требуемой массы хладогента в единицу времени и сложности организации каналов системы охлаждения регенеративным методом (см., например, Климов В.В. «Экспериментальное исследование конвективного теплообмена на центральном теле линейного сопла внешнего расширения», доступно онлайн http://trudymai.ru/upload/iblock/def/eksperimentalnoe-issledovanie-konvektivnogo-teploobmena-na-tsentralnom-tele-lineynogo-sopla-vneshnego-rasshireniya.pdf?lan g=ru&issue=24). Кроме того, используемая для данного типа сопла система охлаждения приводит к большим гидравлическим потерям энергии топлива (энергия от газогенератора идет на продавливание охладителя в каналах охлаждения).
Техническая задача, вытекающая из критики ближайшего аналога, заключается в снижении массы требуемого хладогента в единицу времени за счет термоэмиссионного охлаждения.
Заявленное изобретение решает указанную техническую задачу тем, что предлагается система на основе принципа термоэмиссионного охлаждения, которая позволяет снизить расход хладогента за счет варьирования формой каналов прохождения хладагента более удобной для коллекторов с хладагентом. Устройство системы охлаждения двигательной установки включает в себя центральное тело, коллектор с циркуляционной схемой движения хладагента, с выбросом в окружающую среду, отличающееся тем, что центральное тело состоит из внутренней и внешней поверхности, на которые нанесен термоэмиссионный слой, внутренний и внешний термоэмиссионный слои вместе с центральным телом образуют катод, который электрически последовательно соединен с внутренним и внешним анодом через источник напряжения, внутренний анод через электроизолирующие элементы соединен с внутренним термоэмиссионным слоем катода на расстоянии до 0,3 мм от внутренней поверхности центрального тела, внутренний анод и внутренний термоэмиссионный слой катода образуют вакуумированную герметичную полость, внутри которой размещена добавка из легкоионизируемого элемента, вакуумированная герметичная полость через электроизолирующий элемент соединена с внешним анодом, который расположен по ходу течения продуктов сгорания по поверхности центрального тела.
В качестве добавки из легкоионизируемого элемента может применяться цезий.
В качестве хладагента в коллекторе может применяться гелий.
Технический результат, достигаемый при реализации изобретения заключается в снижении массы требуемого хладогента в единицу времени за счет термоэмиссионного охлаждения. Применение термоэмиссионного охлаждения позволяет обеспечить снижение перепада температурных напряжений и повышение ресурса центрального тела сопла.
Схема реализации заявляемого изобретения представлена на чертеже.
Устройство системы охлаждения двигательной установки (см. фиг. 1) включает в своем составе внешний термоэмиссионный слой 1, центральное тело 2, внутренний термоэмиссионный слой 3, внутренний и внешний термоэмиссионный слой вместе с центральным телом образуют катод 4, легкоионизируемую добавку 5, внутренний анод 6, внешний анод 7, камеру сгорания с соплом 8, источник напряжения 9, коллектор 10, электроизолирующие элементы 11.
В охлаждаемом блоке кольцевого сопла с усеченным клиновидным центральным телом 2 - предназначенным для функционирования широкодиапазонной двигательной установки, внешний термоэмиссионный слой 1 и внутренний термоэмиссионный слой 3 - обладают низкой работой выхода электронов и выполнены из жаропрочного материала, центральное тело 2 выполнено из жаропрочного сплава, рассчитанного на длительную работу при температуре до 2000°С, электроизолирующие элементы - из высокотемпературной технической керамики, внутренний анод 6 и внешний анод 7 выполнены из жаропрочных никельсодержащих сплавов, камеры сгорания и сопла 8 выполнены из жаропрочных сплавов.
Система охлаждения центрального тела 2 многокамерной двигательной установки, внешний термоэмиссионный слой 1 и внутренний термоэмиссионный слой 3 предназначены для термоэмиссии электронов при нагреве, центральное тело 2, внешний термоэмиссионный слой 1 и внутренний термоэмиссионный слой 3 образуют катод 4, легкоионизируемая добавка 5 - для снижения работы выхода электронов (РВЭ) внешнего термоэмиссионного слоя 1 и внутреннего термоэмиссионного слоя 3 и компенсации пространственного заряда при термоэлектронной эмиссии, внешний анод 7 и внутренний анод 6 - для восприятия электронов термоэмиссии, вышедших из катода 4, камера сгорания с соплом 8 - для создания тяги, источник напряжения 9 - для переноса электронов через зазор от анода 7 к катоду 4, электроизолирующий элемент 11 - для предотвращения замыкания катода 4 и анода 6, коллектор 10 - для поддержания температуры внутреннего анода 6 ниже температуры катода 4.
Заявляемое изобретение работает следующим образом.
При работе камер сгорания с соплом 8 продукты сгорания выходят из сопла 8 и двигаются вдоль центрального тела 2. При этом происходит нагрев центрального тела 2, внешнего 1 и внутреннего 3 термоэмиссионных слоев, образующих вместе с центральным телом 2 катод 4. Происходит термоэлектронная эмиссия с внешнего термоэмиссионного слоя 1, который охлаждается при этом. Вышедшие с внешнего термоэмиссионного слоя 1 электроны термоэмиссии попадают на внешний анод 7, где также охлаждаются, релаксируя при взаимодействии с кристаллической решеткой внешнего анода 7. Одновременно с внутреннего термоэмиссионного слоя 3 в этот момент происходит термоэлектронная эмиссия с термоэмиссионным охлаждением. Также охлаждается и центральное тело 2. Одновременно, по мере нагрева происходит испарение легкоионизируемой добавки 5 в полости между внутренним термоэмиссионным слоем 3 и внутренним анодом б. В результате в полости, образованной катодом 4 и внутренним анодом 6 увеличивается давление паров цезия. Это приводит к снижению работы выхода внутреннего термоэмиссионного слоя 3. Что приводит к увеличению интенсивности термоэлектронной эмиссии. Через источник напряжения 9 и центральное тело 2 «остывшие» электроны термоэмиссии возвращаются во внешний термоэмиссионный слой 1 и внутренний термоэмиссионный слой 3 и цикл термоэмиссионного охлаждения повторяется заново. Одновременно, в коллекторе 9 циркулирует хладагент, поддерживая температуру внутреннего анода 6 ниже температуры катода 4 для снижения обратных токов с внешнего анода 7 на катод 4.
5
2
5
2
С поверхности центрального тела 2 с помощью организации системы термоэмиссионного охлаждения снимаются тепловые потоки в интервале от 1⋅10 Вт/м до 8⋅10 Вт/м и переносятся на внутренний анод 6 и внешний анод 7, распределяясь на большую площадь его поверхности. В результате внутренний анод 6 и внешний анод 7 охлаждается меньшим количеством хладагента в единицу времени в коллекторе 10, чем поверхности центрального тела 2 без системы термоэмиссионного охлаждения. В результате снижаются температурные напряжения на поверхности центрального тела 2 и на катоде 4.
Таким образом, решается указанная техническая задача и достигается технический результат, который заключается в снижение массы требуемого хладогента в единицу времени за счет термоэмиссионного охлаждения.
Пример 1.
3
2
3
3
В охлаждаемом блоке кольцевого сопла с усеченным клиновидным центральным телом широкодиапазонной двигательной установки в качестве термоэмиссионного слоя 1 выступает материал - сплав титанового ангидрида и карбоната бария (BaTiO) с эффективной работой выхода порядка 2.6 эВ, центральное тело 2 выполнено из жаропрочного сплава ХН78Т на основе никеля, рассчитанный на длительную работу при температуре до 1100°С, электроизолирующие элементы 11 - из AlO, упрочненного оксидом циркония, внутренний 6 анод, внешний анод 7, выполнен из теплопроводящего и тугоплавкого металла, камера сгорания и сопло 8 выполнено из сплава BaTiO.
Пример 2.
2
В охлаждаемом блоке клиновидного сопла с конусоидальным центральным телом широкодиапазонной двигательной установки в качестве термоэмиссионного слоя 1 выступает материал - оксида олова SnO2, с эффективной работой выхода порядка 3.5 эВ, центральное тело 2, выполнено из жаропрочного хромоникелевого сплава ХН57ВКЮТМБЛ, рассчитанное на длительную работу при температуре до 1220°С, электроизолирующие элементы - из композитного материала на основе нанооксид кремния (SiO),, внутренний 6 анод, внешний анод 7 выполнен из теплопроводящего и тугоплавкого металла, камера сгорания и сопло 8 выполнено из жаропрочного сплава на хромоникелевой основе ХН57ВКЮТМБЛ.
Заявляемое изобретение можно применять при охлаждении центральных тел двигательной установки любой формы, в том числе и осесимметричной и с укороченным центральным телом.