RU2707557C1 - Thermionic transducer built into the structure of high-speed aircrafts - Google Patents
Thermionic transducer built into the structure of high-speed aircrafts Download PDFInfo
- Publication number
- RU2707557C1 RU2707557C1 RU2019109689A RU2019109689A RU2707557C1 RU 2707557 C1 RU2707557 C1 RU 2707557C1 RU 2019109689 A RU2019109689 A RU 2019109689A RU 2019109689 A RU2019109689 A RU 2019109689A RU 2707557 C1 RU2707557 C1 RU 2707557C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- collector
- emitter
- pipe
- heat
- thermionic
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J45/00—Discharge tubes functioning as thermionic generators
Landscapes
- Cooling Or The Like Of Electrical Apparatus (AREA)
Abstract
Description
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.The invention relates to the field of thermionic conversion of thermal energy into electrical energy, in particular to thermionic converters (TEC), which can be used as part of thermal protection systems and on-board sources of electrical energy of hypersonic aircraft (GLA). The purpose of this TEC is to generate electricity in combination with efficient cooling of GLA structural elements, such as leading edges of wings, steering surfaces, etc.
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.There is a known scheme of a thermionic converter with semicylindrical coaxial electrodes embedded in the leading edge of the GLA wing in such a way that the external surface of the emitter is subjected to aerodynamic heating (A. V. Kolychev. “Active thermal protection of structural elements of a hypersonic aircraft based on new physical principles during aerodynamic heating”. The electronic journal “Transactions of MAI”, issue No. 51, UDC 629.782, www.mai.ru/science/trudy). Changing the current in the TEC electric circuit allows you to control the intensity of electronic cooling of the wing edge, and the electricity generated by this is used for onboard needs of the GLA.
Известная схема не нашла технической реализации, поскольку невозможно обеспечить герметизацию межэлектродного зазора по периметру электродов полуцилиндрической формы при их тепловой и электрической развязке.The known circuit did not find technical implementation, since it is impossible to provide sealing of the interelectrode gap around the perimeter of electrodes of a semicylindrical shape during their thermal and electrical isolation.
На сегодняшний день в технически реализованных и перспективных конструкциях ТЭП используются только цилиндрические коаксиальные, либо плоско-параллельные электроды.To date, in technically feasible and promising designs of TEC, only cylindrical coaxial or plane-parallel electrodes are used.
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.The closest in technical essence to the claimed invention is a thermionic converter with coaxial cylindrical electrodes, with an external location of the emitter heated by a flame (Ushakov V.A., Nikitin V.D., Emelyanov I.Ya. Fundamentals of thermionic energy conversion. M, Atomizdat, 1974, pp. 131-132). The coaxial cylindrical electrodes of this TEC are made in the form of cups with a hemispherical bottom inserted one into the other when they are mutually electrically and thermally decoupled using a pressure seal containing a ceramic-metal assembly. The emitter made of tungsten is heated from the side of its bottom, and the collector is cooled from the opposite side by a heat pipe.
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:However, this device, taken as a prototype, cannot be used as part of thermal protection systems and on-board electric power sources of the GLA for the following reasons:
- 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.;- the geometry of the outer surface of the emitter and the relative position of the components of the TEC does not correspond to the shape of the structural elements of the GLA subjected to the most intense aerodynamic heating, such as the leading edges of the wings, steering surfaces, etc .;
- вольфрамовый эмиттер в условиях гиперзвукового полета (нагрев в атмосфере до температур более 1300°C) будет разрушаться интенсивной газовой коррозией;- a tungsten emitter under hypersonic flight conditions (heating in the atmosphere to temperatures above 1300 ° C) will be destroyed by intense gas corrosion;
Задачей изобретения является разработка конструкции ТЭП, пригодной к использованию в составе систем тепловой защиты и бортовых источников электрической энергии ГЛА.The objective of the invention is to develop the design of the TEC, suitable for use as part of thermal protection systems and on-board sources of electric energy of the GLA.
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.The problem is solved due to the fact that in a thermionic converter with an emitter made in the form of pipes and a cooled collector placed inside it during their mutual electrical and thermal isolation using at least one pressure seal containing a ceramic-metal assembly, the emitter and collector pipes according to the invention sealed on both sides, a heat-resistant coating is created on the outer surface of the emitter pipe, the collector pipe is equipped with one or more current outputs and one or more inputs GOVERNMENTAL / output collector pipes of the cooling circuit, wherein the cold ends and the pipes are located on the side surface of the manifold pipe within a semicircle and each provided with cable glands them arranged comprising in its composition bellows assemblies.
В частных случаях осуществления изобретения:In particular cases of the invention:
- эмиттер выполнен с переменной по его окружности толщиной стенки, которая выбирается из условия равномерности величины плотности азимутального теплового потока по этой окружности;- the emitter is made with a wall thickness variable along its circumference, which is selected from the condition of uniformity of the density value of the azimuthal heat flux along this circle;
- 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;- the aircraft engine fuel is used as a coolant in the collector cooling circuit, and for matching the permissible fuel temperature with the temperature of the collector, the inner surface of the collector and the inlet / outlet pipes of the cooling circuit are covered with insulating material;
- контур охлаждения коллектора выполнен в виде испарительного участка Т-образной тепловой трубы;- the collector cooling circuit is made in the form of an evaporation section of a T-shaped heat pipe;
- в качестве материала эмиттера выбран молибден;- molybdenum is selected as the material of the emitter;
- в качестве материала жаростойкого покрытия выбран дисилицид молибдена.- as the material of the heat-resistant coating, molybdenum disilicide was selected.
Сущность изобретения поясняется с помощью фигур графических изображений.The invention is illustrated using the figures of graphic images.
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 «-».In FIG. 1 shows a diagram of a GLA TEP wing embedded in the front (in the direction of flight) wing, in which fuel for the GLA engine can be used as a coolant to cool the collector. The
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.In order to provide the possibility of direct cooling of the collector with fuel for the GLA engine, the inner surface of the
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.In FIG. 2 shows a diagram of a GLA TEP built into the wing edge, in which the cooling circuit of
Термоэмиссионный преобразователь, встраиваемый в конструкцию высокоскоростных летательных аппаратов, работает следующим образом.Thermionic Converter, built into the design of high-speed aircraft, operates as follows.
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.During the flight, the
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.Performing an emitter with a wall thickness that is variable around its circumference, which is selected from the condition that the density of the azimuthal heat flux is uniform over this circle, helps to equalize the temperature of the emission surface, thereby reducing the negative effect of uneven heating of the emitter on the efficiency of the TEC. A change in wall thickness can be obtained by displacing a longitudinal hole in the emitter pipe relative to its center in the direction of the unheated side of the circumference of the emitter pipe.
Таким образом, решение поставленной задачи обеспечивается выбранной формой электродов ТЭП, взаимным расположением элементов его конструкции, наличием жаростойкого покрытия на наружной поверхности эмиттера.Thus, the solution of the problem is provided by the selected shape of the TEC electrodes, the relative position of the elements of its structure, the presence of a heat-resistant coating on the outer surface of the emitter.
Осуществление изобретения.The implementation of the invention.
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.In a thermionic emission transducer, a tubular emitter with an internal diameter of ~ 15 mm is made of a refractory material, for example, molybdenum, which is protected externally from high-temperature gas corrosion by a silicide coating 0.1-0.15 mm thick and has a tungsten emission coating on the inside. The collector is made in the form of a round pipe sealed on both sides of niobium, nickel or stainless steel with a diameter of ~ 13 mm and a length of ~ 500 mm, and placed inside the emitter. The interelectrode gap between the emitter and the collector (MEZ) is provided by a belt of six spacers for each ~ 100 mm of electrode length. Within one semicircle of the collector pipe, perpendicular to the longitudinal axis of the collector, current leads are arranged (one for each ~ 100 mm of the pipe length) and two pipes of the collector cooling circuit for cooling fuel are connected, the pumping direction of which is shown by arrows in FIG. 1. Thermal and electrical isolation of the TEC electrodes in the region of the indicated current leads and branch pipes is realized with the help of pressure glands consisting of
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.In the case of cooling the collector using a medium-temperature (e.g., sodium) heat pipe, current outputs (one for each ~ 100 mm of the pipe length) are placed within one semicircle of the collector pipe perpendicular to the longitudinal axis of the collector and a collector cooling pipe is connected. The capillary structure of the heat pipe is formed on the inner surface of the collector pipe and the pipe of the cooling circuit in the form of many longitudinal grooves with a characteristic size of ~ 0.5 mm. Hermovods of collector current leads and cooling pipes consist of steel bellows and cermet units with insulators of aluminum oxide (including monocrystalline) and cuffs of nickel alloys.
Claims (6)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019109689A RU2707557C1 (en) | 2019-04-02 | 2019-04-02 | Thermionic transducer built into the structure of high-speed aircrafts |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019109689A RU2707557C1 (en) | 2019-04-02 | 2019-04-02 | Thermionic transducer built into the structure of high-speed aircrafts |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2707557C1 true RU2707557C1 (en) | 2019-11-28 |
Family
ID=68836203
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019109689A RU2707557C1 (en) | 2019-04-02 | 2019-04-02 | Thermionic transducer built into the structure of high-speed aircrafts |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2707557C1 (en) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4506183A (en) * | 1980-11-30 | 1985-03-19 | The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration | High thermal power density heat transfer apparatus providing electrical isolation at high temperature using heat pipes |
WO2007008059A2 (en) * | 2005-07-08 | 2007-01-18 | Innovy | Energy converting apparatus, generator and heat pump provided therewith and method of production thereof |
RU2430857C2 (en) * | 2009-12-01 | 2011-10-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Балтийский государственный технический университет "ВОЕНМЕХ" им. Д.Ф. Устинова (БГТУ "ВОЕНМЕХ") | Hypersonic aircraft wing in aerodynamic heating conditions |
RU2572009C1 (en) * | 2014-11-05 | 2015-12-27 | Владимир Андреевич Керножицкий | Hypersonic aircraft wing in aerodynamic heating conditions |
-
2019
- 2019-04-02 RU RU2019109689A patent/RU2707557C1/en active IP Right Revival
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4506183A (en) * | 1980-11-30 | 1985-03-19 | The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration | High thermal power density heat transfer apparatus providing electrical isolation at high temperature using heat pipes |
WO2007008059A2 (en) * | 2005-07-08 | 2007-01-18 | Innovy | Energy converting apparatus, generator and heat pump provided therewith and method of production thereof |
RU2430857C2 (en) * | 2009-12-01 | 2011-10-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Балтийский государственный технический университет "ВОЕНМЕХ" им. Д.Ф. Устинова (БГТУ "ВОЕНМЕХ") | Hypersonic aircraft wing in aerodynamic heating conditions |
RU2572009C1 (en) * | 2014-11-05 | 2015-12-27 | Владимир Андреевич Керножицкий | Hypersonic aircraft wing in aerodynamic heating conditions |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
УШАКОВ В.А., Основы термоэмиссионного преобразования энергии, Москва, Атомиздат, 1974, стр. 131-132. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US4188571A (en) | Radiant energy to electrical power conversion system | |
CN101562414B (en) | Solar energy vacuum heat collecting plate thermo-electric generating and collecting device | |
CN105627560A (en) | High-temperature continuous nitrogen heater | |
EP3098537A1 (en) | Spraying heat preservation vapor supplying device and generator apparatus using such device | |
US4220692A (en) | Internal geometry of alkali metal thermoelectric generator devices | |
RU2430857C2 (en) | Hypersonic aircraft wing in aerodynamic heating conditions | |
RU2707557C1 (en) | Thermionic transducer built into the structure of high-speed aircrafts | |
CN101441150B (en) | Vacuum thermal insulation heating apparatus | |
CN110970278B (en) | Collector heat dissipation structure for radiation-cooled space traveling wave tube | |
CN101089512B (en) | Solar vacuum heat collection tube with thermal insulation cavity on tail of tube | |
GB2054826A (en) | Apparatus for utilizing solar energy | |
RU2704106C1 (en) | Thermionic transducer for thermionic thermal protection edge of small radius of curve of high-speed aircraft wing | |
RU2611596C1 (en) | Thermionic converter | |
RU2707192C1 (en) | Thermionic converter for on-board electric power source | |
CN109736972B (en) | Rocket bottom thermal protection panel, liquid rocket bottom thermal protection system and method | |
RU2583511C1 (en) | Thermionic method for thermal protection of aircraft | |
RU2703272C1 (en) | Thermionic transducer with passive cooling for on-board power source of high-speed aircraft with straight-flow air-jet engine | |
CN112672454A (en) | Inner wall air film of electric arc heater | |
US8987579B2 (en) | Power converter | |
RU9084U1 (en) | THERMOEMISSION POWER MODULE | |
RU139811U1 (en) | THERMOEMISSION ELECTRICITY CHANNEL | |
CN201298001Y (en) | Vacuum insulated heating device | |
CN115013156B (en) | Near-field thermophotovoltaic power generation device for recovering waste heat of aviation turbojet engine | |
RU2538768C1 (en) | Thermionic electricity generating channel | |
CN103673316A (en) | Solar photothermal receiver |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PD4A | Correction of name of patent owner | ||
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20210403 |
|
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20211215 |