Термоэмиссионный преобразователь, встраиваемый в конструкцию высокоскоростных летательных аппаратов
THERMIONIC TRANSDUCER BUILT INTO THE STRUCTURE OF HIGH-SPEED AIRCRAFTS

Изобретение относится к области термоэмиссионного преобразования тепловой энергии в электрическую, а именно к термоэмиссионным преобразователям (ТЭП), которые могут использоваться в составе систем тепловой защиты и бортовых источников электрической энергии гиперзвуковых летательных аппаратов (ГЛА). Назначением этого ТЭП является получение электроэнергии в сочетании с эффективным охлаждением элементов конструкции ГЛА, таких как передние кромки крыльев, рулевых поверхностей и т.д.
Известна схема термоэмиссионного преобразователя с полуцилиндрическими коаксиальными электродами, встроенного в переднюю кромку крыла ГЛА таким образом, что наружная поверхность эмиттера подвергается аэродинамическому нагреву (А.В. Колычев. «Активная тепловая защита элементов конструкции гиперзвукового летательного аппарата на новых физических принципах при аэродинамическом нагреве». Электронный журнал «Труды МАИ», выпуск №51, УДК 629.782, www.mai.ru/science/trudy). Изменение тока в электрической цепи ТЭП позволяет управлять интенсивностью электронного охлаждения кромки крыла, а вырабатываемая при этом электроэнергия используется для бортовых нужд ГЛА.
Известная схема не нашла технической реализации, поскольку невозможно обеспечить герметизацию межэлектродного зазора по периметру электродов полуцилиндрической формы при их тепловой и электрической развязке.
На сегодняшний день в технически реализованных и перспективных конструкциях ТЭП используются только цилиндрические коаксиальные, либо плоско-параллельные электроды.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является термоэмиссионный преобразователь с коаксиальными цилиндрическими электродами, с внешним расположением эмиттера, нагреваемого пламенем (Ушаков В.А., Никитин В.Д., Емельянов И.Я. Основы термоэмиссионного преобразования энергии. М, Атомиздат, 1974, стр. 131-132). Коаксиальные цилиндрические электроды этого ТЭП выполнены в виде стаканов с полусферическим днищем, вставленных один в другой при их взаимной электрической и тепловой развязке с помощью гермоввода, содержащего металлокерамический узел. Нагрев эмиттера, изготовленного из вольфрама, осуществляется со стороны его днища, а коллектор охлаждается с противоположной стороны тепловой трубой.
Однако это устройство, взятое в качестве прототипа, не может быть использовано в составе систем тепловой защиты и бортовых источников электрической энергии ГЛА по следующим причинам:
- геометрия внешней поверхности эмиттера и взаимное расположение составных частей ТЭП не соответствует форме элементов конструкции ГЛА, подвергающихся наиболее интенсивному аэродинамическому нагреву, таких как передние кромки крыльев, рулевых поверхностей и т.д.;
- вольфрамовый эмиттер в условиях гиперзвукового полета (нагрев в атмосфере до температур более 1300°C) будет разрушаться интенсивной газовой коррозией;
Задачей изобретения является разработка конструкции ТЭП, пригодной к использованию в составе систем тепловой защиты и бортовых источников электрической энергии ГЛА.
Поставленная задача решается за счет того, что в термоэмиссионном преобразователе с выполненными в виде труб эмиттером и размещенным внутри него охлаждаемым коллектором при их взаимной электрической и тепловой развязке с помощью, по крайней мере, одного гермоввода, содержащего металлокерамический узел, согласно изобретению эмиттерная и коллекторная трубы герметизированы с двух сторон, на наружной поверхности эмиттерной трубы создано жаростойкое покрытие, коллекторная труба снабжена одним или более токовыводами и одним или более входными/выходными патрубками контура охлаждения коллектора, при этом токовыводы и патрубки расположены на боковой поверхности коллекторной трубы в пределах одной полуокружности и снабжены соответственно им расположенными гермовводами, содержащими в своем составе сильфонные узлы.
В частных случаях осуществления изобретения:
- эмиттер выполнен с переменной по его окружности толщиной стенки, которая выбирается из условия равномерности величины плотности азимутального теплового потока по этой окружности;
- в качестве теплоносителя в контуре охлаждения коллектора используется топливо двигателя летательного аппарата, а для согласования допустимой температуры топлива с температурой коллектора внутренняя поверхность коллектора и входных/выходных патрубков контура охлаждения покрыта теплоизоляционным материалом;
- контур охлаждения коллектора выполнен в виде испарительного участка Т-образной тепловой трубы;
- в качестве материала эмиттера выбран молибден;
- в качестве материала жаростойкого покрытия выбран дисилицид молибдена.
Сущность изобретения поясняется с помощью фигур графических изображений.
На фиг. 1 представлена схема встраиваемого в переднюю (по направлению полета) кромку крыла ГЛА ТЭП, в котором для охлаждения коллектора в качестве теплоносителя может использоваться топливо для двигателя ГЛА. Коллектор 1 выполнен в виде герметизированной с обеих сторон круглой трубы и размещен внутри эмиттера 2. Эмиттер 2 выполнен в виде герметизированной с обеих сторон трубы со смещенным продольным отверстием и снабжен снаружи жаростойким покрытием 4. Межэлектродный зазор (МЭЗ) между коллектором 1 и эмиттером 2 обеспечен дистанционаторами 3. В пределах одной полуокружности коллектора 1 перпендикулярно продольной оси коллектора 1 размещены его токовыводы 5 и присоединены входные/выходные патрубки 6 контура охлаждения коллектора для охлаждающего топлива, направление прокачки которого показано стрелками. Тепловая и электрическая развязка электродов ТЭП в районе указанных токовыводов 5 и патрубков 6 реализована с помощью гермовводов, состоящих из сильфонных узлов 7 и металлокерамических узлов 8. Шины для токосъема с обоих электродов условно показаны знаками «+» и «-».
С целью обеспечения возможности непосредственного охлаждения коллектора топливом для двигателя ГЛА на внутреннюю поверхность коллектора 1 и входных/выходных патрубков 6 нанесено покрытие 9 из материала с низкой теплопроводностью для согласования допустимой температуры топлива с температурой коллектора. Тепло, поступающее на коллектор 1, поглощается за счет теплоемкости этого топлива, прокачиваемого внутри коллектора и поступающего затем в двигатель ГЛА. В результате происходит охлаждение коллектора до его оптимальной температуры 600-700°C. Такая температура может оказаться недопустимой для топлива (например, при температуре выше -400°C происходит коксование авиационного керосина). Поэтому ограничение роста температуры охлаждающего топлива в допустимых пределах обеспечивается покрытием 9, которое наносят на внутреннюю поверхность коллектора и входных/выходных патрубков контура охлаждения. В качестве материалов для покрытия 9 используют материал с низкой теплопроводностью, предотвращающий непосредственный тепловой контакт топлива с поверхностью коллектора 1 и входных/выходных патрубков 6 контура охлаждения.
На фиг. 2 представлена схема встраиваемого в кромку крыла ГЛА ТЭП, в котором контур охлаждения коллектора 1 выполнен в виде испарительного участка Т-образной тепловой трубы 10 с фитилем. Позиции с 1 по 8 на фиг. 2 обозначают те же конструктивные элементы, соответственно представленные на фиг. 1. Направление движения пара рабочего тела в тепловой трубе 10 показано стрелкой. Тепло, поступающее на коллектор 1, который по существу совмещен с испарительным участком тепловой трубы, отводится трубой 10 к менее нагретым аэродинамическим потоком элементам конструкции ГЛА (например, к аэродинамическим поверхностям вблизи их задних кромок) и затем излучается ими в окружающее пространство.
Термоэмиссионный преобразователь, встраиваемый в конструкцию высокоскоростных летательных аппаратов, работает следующим образом.
Во время полета эмиттер 2 ТЭП, установленный в ГЛА со стороны кромки крыла, нагревается торможением гиперзвукового аэродинамического потока до ~1500°C. Полученная эмиттером 2 тепловая энергия частично преобразуется в электрическую с к.п.д. ≤20%, а оставшаяся часть путем электронного охлаждения, теплового излучения и за счет теплопроводности межэлектродной среды поступает на коллектор 1, а также за счет теплопроводности материала растекается по окружности эмиттера 2 на его не обогреваемую сторону. Размещение гермовводов для коллекторных токовыводов и входных/выходных патрубков в пределах одной полуокружности эмиттера, расположенной с обратной по отношению к направлению полета ГЛА стороны ТЭП, исключает воздействия гиперзвукового потока на указанные элементы конструкции. Сильфонные узлы 7, входящие в состав гермовводов, устраняют механические напряжения, возникающие при температурных деформациях.
Выполнение эмиттера с переменной по его окружности толщиной стенки, которая выбирается из условия равномерности величины плотности азимутального теплового потока по этой окружности, способствует выравниванию температуры эмиссионной поверхности, благодаря чему уменьшается негативное влияние неравномерного нагрева эмиттера на эффективность ТЭП. Изменение толщины стенки можно получить путем смещения продольного отверстия в эмиттерной трубе относительно ее центра в направлении необогреваемой стороны окружности эмиттерной трубы.
Таким образом, решение поставленной задачи обеспечивается выбранной формой электродов ТЭП, взаимным расположением элементов его конструкции, наличием жаростойкого покрытия на наружной поверхности эмиттера.
Осуществление изобретения.
В термоэмиссионном преобразователе трубчатый эмиттер с внутренним диаметром ~15 мм выполнен из тугоплавкого материала, например, молибдена, защищенного снаружи от высокотемпературной газовой коррозии силицидным покрытием толщиной 0,1-0,15 мм, и имеет изнутри вольфрамовое эмиссионное покрытие. Коллектор выполнен в виде герметизированной с обеих сторон круглой трубы из ниобия, никеля или нержавеющей стали диаметром ~13 мм и длиной ~500 мм, и размещен внутри эмиттера. Межэлектродный зазор между эмиттером и коллектором (МЭЗ) обеспечен при помощи пояса из шести дистанционаторов на каждые ~100 мм длины электродов. В пределах одной полуокружности коллекторной трубы перпендикулярно продольной оси коллектора размещены токовыводы (по одному на каждые ~100 мм длины трубы) и присоединены два патрубка контура охлаждения коллектора для охлаждающего топлива, направление прокачки которого показано стрелками на фиг. 1. Тепловая и электрическая развязка электродов ТЭП в районе указанных токовыводов и патрубков реализована с помощью гермовводов, состоящих из сильфонных узлов 7 и металлокерамических узлов 8. Шины для токосъема с электродов условно показаны знаками «+» и «-». Охлаждение коллектора осуществляется топливом двигателя ГЛА. Для согласования допустимой температуры этого топлива с температурой коллектора на его внутреннюю поверхность нанесено покрытие из диоксида циркония, обладающего низкой теплопроводностью, толщиной 1-2 мм.
В случае охлаждения коллектора с помощью среднетемпературной (например, натриевой) тепловой трубы в пределах одной полуокружности коллекторной трубы перпендикулярно продольной оси коллектора размещены токовыводы (по одному на каждые ~100 мм длины трубы) и присоединен патрубок контура охлаждения коллектора. Капиллярная структура тепловой трубы сформирована на внутренней поверхности коллекторной трубы и патрубка контура охлаждения в виде множества продольных канавок с характерным размером ~0,5 мм. Гермовводы коллекторных токовыводов и охлаждающих патрубков состоят из стальных сильфонов и металлокерамических узлов с изоляторами из окиси алюминия (в т.ч. монокристаллической) и манжетами из никелевых сплавов.