RU2784745C1 - Устройство системы охлаждения двигательной установки - Google Patents
Устройство системы охлаждения двигательной установки Download PDFInfo
- Publication number
- RU2784745C1 RU2784745C1 RU2022114077A RU2022114077A RU2784745C1 RU 2784745 C1 RU2784745 C1 RU 2784745C1 RU 2022114077 A RU2022114077 A RU 2022114077A RU 2022114077 A RU2022114077 A RU 2022114077A RU 2784745 C1 RU2784745 C1 RU 2784745C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- central body
- internal
- thermionic
- anode
- cathode
- Prior art date
Links
- 238000001816 cooling Methods 0.000 title claims abstract description 30
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 claims abstract description 14
- 239000000654 additive Substances 0.000 claims abstract description 10
- 230000000996 additive Effects 0.000 claims abstract description 10
- 239000002826 coolant Substances 0.000 claims abstract description 7
- TVFDJXOCXUVLDH-UHFFFAOYSA-N Cesium Chemical compound [Cs] TVFDJXOCXUVLDH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 4
- 229910052792 caesium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 4
- 239000001307 helium Substances 0.000 claims abstract description 3
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 3
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium(0) Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 3
- 239000003507 refrigerant Substances 0.000 abstract description 11
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 6
- REDXJYDRNCIFBQ-UHFFFAOYSA-N aluminium(3+) Chemical class [Al+3] REDXJYDRNCIFBQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 4
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 3
- 230000001172 regenerating Effects 0.000 description 3
- AYJRCSIUFZENHW-UHFFFAOYSA-L Barium carbonate Chemical compound [Ba+2].[O-]C([O-])=O AYJRCSIUFZENHW-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 2
- XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N Tin dioxide Chemical compound O=[Sn]=O XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- -1 chromium-nickel Chemical compound 0.000 description 2
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 2
- GQPLMRYTRLFLPF-UHFFFAOYSA-N nitrous Oxide Chemical compound [O-][N+]#N GQPLMRYTRLFLPF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000003870 refractory metal Substances 0.000 description 2
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 241000208202 Linaceae Species 0.000 description 1
- 235000004431 Linum usitatissimum Nutrition 0.000 description 1
- 229910000990 Ni alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001069 Ti alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N ZrO2 Chemical compound O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000008064 anhydrides Chemical class 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 238000010192 crystallographic characterization Methods 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 239000003779 heat-resistant material Substances 0.000 description 1
- 239000005543 nano-size silicon particle Substances 0.000 description 1
- 239000001272 nitrous oxide Substances 0.000 description 1
- 230000002040 relaxant effect Effects 0.000 description 1
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 229910001887 tin oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001928 zirconium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Abstract
Изобретение относится к ракетно-космической технике, а именно к двигательным установкам. Устройство системы охлаждения двигательной установки включает в себя центральное тело, коллектор с циркуляционной схемой движения хладагента с выбросом в окружающую среду, согласно изобретению центральное тело состоит из электроизолирующего элемента, внешнего анода, внутренней и внешней поверхностей, на которые нанесен термоэмиссионный слой, внутренний и внешний термоэмиссионные слои вместе с центральным телом образуют катод, который электрически последовательно соединен с внутренним и внешним анодами 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 хладагента используется гелий. В качестве добавки из легкоионизируемого элемента используется цезий. Изобретение обеспечивает снижение массы хладагента в единицу времени, а также увеличение надежности многокамерной двигательной установки с центральным телом за счет его термоэмиссионного охлаждения. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.
Description
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.
С поверхности центрального тела 2 с помощью организации системы термоэмиссионного охлаждения снимаются тепловые потоки в интервале от 1⋅105 Вт/м2 до 8⋅105 Вт/м2 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.
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 (BaTiO3) 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 Al2O3, упрочненного оксидом циркония, внутренний 6 анод, внешний анод 7, выполнен из теплопроводящего и тугоплавкого металла, камера сгорания и сопло 8 выполнено из сплава BaTiO3.
Пример 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 (SiO2),, 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.
Claims (3)
1. Устройство системы охлаждения двигательной установки, включающее в себя центральное тело, коллектор с циркуляционной схемой движения хладагента с выбросом в окружающую среду, отличающееся тем, что центральное тело состоит из электроизолирующего элемента, внешнего анода, внутренней и внешней поверхностей, на которые нанесен термоэмиссионный слой, внутренний и внешний термоэмиссионные слои вместе с центральным телом образуют катод, который электрически последовательно соединен с внутренним и внешним анодами 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.
2. Устройство системы охлаждения двигательной установки по п. 1, отличающееся тем, что в качестве хладагента используется гелий.
3. Устройство системы охлаждения двигательной установки по п. 1, отличающееся тем, что в качестве добавки из легкоионизируемого элемента используется цезий.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2784745C1 true RU2784745C1 (ru) | 2022-11-29 |
Family
ID=
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3270501A (en) * | 1964-03-05 | 1966-09-06 | James E Webb | Aerodynamic spike nozzle |
| RU106666U1 (ru) * | 2011-02-28 | 2011-07-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский авиационный институт (государственный технический университет) (МАИ) | Двигательная установка с плоским центральным телом |
| RU2511800C1 (ru) * | 2012-10-19 | 2014-04-10 | Открытое акционерное общество "НПО Энергомаш имени академика В.П. Глушко" | Способ создания аэродинамического сопла многокамерной двигательной установки и составной сопловой блок для осуществления способа |
| RU2610873C2 (ru) * | 2015-07-27 | 2017-02-17 | Открытое акционерное общество "НПО Энергомаш имени академика В.П. Глушко" | Компоновка маршевой многокамерной двигательной установки двухступенчатой ракеты-носителя с составным сопловым блоком |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3270501A (en) * | 1964-03-05 | 1966-09-06 | James E Webb | Aerodynamic spike nozzle |
| RU106666U1 (ru) * | 2011-02-28 | 2011-07-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский авиационный институт (государственный технический университет) (МАИ) | Двигательная установка с плоским центральным телом |
| RU2511800C1 (ru) * | 2012-10-19 | 2014-04-10 | Открытое акционерное общество "НПО Энергомаш имени академика В.П. Глушко" | Способ создания аэродинамического сопла многокамерной двигательной установки и составной сопловой блок для осуществления способа |
| RU2610873C2 (ru) * | 2015-07-27 | 2017-02-17 | Открытое акционерное общество "НПО Энергомаш имени академика В.П. Глушко" | Компоновка маршевой многокамерной двигательной установки двухступенчатой ракеты-носителя с составным сопловым блоком |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Chou et al. | Porous media combustion for micro thermophotovoltaic system applications | |
| CN104454418B (zh) | 一种可提高运行稳定性的电弧加热发动机 | |
| RU2784745C1 (ru) | Устройство системы охлаждения двигательной установки | |
| RU2780911C1 (ru) | Система охлаждения центрального тела многокамерной двигательной установки | |
| RU2796360C1 (ru) | Система охлаждения центрального тела сопла клиновоздушного реактивного двигателя | |
| Chan et al. | Towards a portable mesoscale thermophotovoltaic generator | |
| RU2686815C1 (ru) | Ядерный турбореактивный двигатель | |
| RU185328U1 (ru) | Устройство охлаждения ракетного двигателя | |
| RU2788489C1 (ru) | Охлаждаемый составной сопловой блок многокамерной двигательной установки | |
| RU2611596C1 (ru) | Термоэмиссионный преобразователь | |
| RU2787634C1 (ru) | Составной сопловой блок многокамерной двигательной установки | |
| Kojima et al. | Long-pulse production of high current negative ion beam by using actively temperature controlled plasma grid for JT-60SA negative ion source | |
| Shyne | Advanced Ceramic Materials for Aerospace Propulsion and Power | |
| JPH06242275A (ja) | 核融合炉用及び核融合実験装置のダイバータ等プラズマ対向壁を用いた熱発電装置 | |
| CN111059008B (zh) | 一种新型热离子-热声组合热电转换系统 | |
| RU143180U1 (ru) | Автономная система питания и термостабилизации матриц и линеек лазерных диодов импульсного твердотельного лазера с диодной накачкой | |
| RU151082U1 (ru) | Устройство охлаждения лопаток турбины газотурбинной установки | |
| CN113782229B (zh) | 一种双模式空间核反应堆堆芯及双模式空间核反应堆 | |
| Fu et al. | Non-Equilibrium and Self-Organization Evolution in Hot-Spot Ignition Processes | |
| Le et al. | Development of a 1 kW class thermal arcjet thruster TALOS | |
| RU2703272C1 (ru) | Термоэмиссионный преобразователь с пассивным охлаждением для бортового источника электроэнергии высокоскоростного летательного аппарата с прямоточным воздушно-реактивным двигателем | |
| Canter | Self-sustaining fusion: Several improvements were made to the experimental setup to move closer to self-sustaining fusion. | |
| CN115095444A (zh) | 一种喷管、航空发动机及飞行器 | |
| Paganucci et al. | Current emission mechanisms in an artificially heated cathode of an MPD thruster | |
| Latha et al. | Improvements in the fabrication technology of multi-stage depressed collector for space traveling wave tubes |