RU2707192C1 - Thermionic converter for on-board electric power source - Google Patents

Abstract

FIELD: physics.SUBSTANCE: invention relates to the field of thermionic conversion of thermal energy to electric energy, namely, to thermionic converters, and can be used in onboard electric power sources for aircrafts with straight-flow air-jet engines. Summary of invention consists in fact that cathode sleeve of converter is arranged inside bellows unit and is equipped with external annular protrusion surrounding its bottom and screening bellow unit from heat source.EFFECT: reduction of axial dimensions of converter, which allows to place it between walls of combustion chamber of engine.1 cl, 1 dwg

Description

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).The invention relates to the field of thermionic conversion of thermal energy into electrical energy, namely to thermionic converters (TEC), which can be used as part of on-board sources of electrical energy for aircraft (LA) with ramjet engines.

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.Known thermionic converter with coaxial cylindrical electrodes (Friesinger G., Eastman G. 3 kW TEC on natural fuel. - "Direct conversion of thermal energy into electrical and fuel cells". Inform. Bul. M, ed. VINITI, 1970, no. 5, p. 148) for thermionic superstructures of thermal power plants (TPPs). In the design of such a TEC, heat from the combustion chamber is transferred to the emitter by a heat pipe.

Недостатками такого устройства применительно к бортовым источникам электроэнергии для ЛА с ПВРД являются:The disadvantages of this device in relation to the on-board sources of electricity for aircraft with ramjet are:

- значительные осевые габариты электродов, не позволяющие разместить ТЭП в ПВРД;- significant axial dimensions of the electrodes, which do not allow placing the TEC in the ramjet;

- сложность конструкции и эксплуатации, связанная с необходимостью использования высокотемпературных (>1300°С) тепловых труб.- the complexity of the design and operation associated with the need to use high-temperature (> 1300 ° C) heat pipes.

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.Closest to the claimed invention for the problem being solved is a thermionic converter with flat electrodes for thermionic superstructure of thermal power plants (USSR Author's Certificate No. 771764, H01J 45/00, claimed. 12.12.1978). The cathode of this TEC is made in the form of a glass made of a heat-resistant alloy, the bottom of which is heated externally by the radiation of a flame in the boiler of a TPP and has an emission coating on the inside. A ceramic-metal assembly (MCU) is installed inside the cup and coaxial to it, inside of which, in turn, a massive anode is placed, which simultaneously performs the function of heat removal and forms an interelectrode gap (MEZ) with the emission coating of the cathode cup. The placement of the MCU inside the cathode cup, as well as the rejection of the use of spacers and a bellows assembly, which are usually used in TECs to compensate for linear thermal expansions and reliable spacing of MEZs, helps to reduce the total axial dimensions of the considered TEC.

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.However, the obtained dimensions still do not allow placing the TEC in the space between the hot and cold walls of the ramjet combustion chamber, the characteristic distance between which does not exceed 25 mm. A further reduction in the axial dimensions of the TEC by reducing the height of the cathode cup makes the value of the thermal resistance of its wall non-optimal. It is impossible to optimize this resistance by reducing the wall thickness, since this thickness is limited by the requirements of strength and vacuum density. As a result, heat leaks on the periphery of the cathode increase, which leads to uneven cathode temperature and, ultimately, to a decrease in the efficiency of thermionic energy conversion.

Задачей изобретения является создание ТЭП, который возможно применить в качестве бортового источника электроэнергии летательного аппарата с ПВРД.The objective of the invention is the creation of a TEC, which can be used as an on-board source of electricity for an aircraft with ramjet.

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.The technical result consists in the implementation of the purpose of the possibility of using an aircraft with ramjet as an onboard power source. Accordingly, an additional reduction in the axial dimensions of the TEC is achieved without reducing the efficiency of energy conversion and the reliability of spacing of the electrode gap.

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.The problem is solved due to the fact that the TEC additionally contains at least one spacer of the interelectrode gap, as well as a bellows assembly located outside the cathode cup coaxially to the latter, and the cathode cup is provided with an outer annular protrusion surrounding the bottom of the cup and having a width sufficient to shield the bellows node from a heat source.

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.For the purposes of the present description, the term bellows assembly shall be understood to mean the following. A bellows assembly is an elastic single-layer or multi-layer corrugated shell made of metal, nonmetallic and composite materials that retains its strength and tightness during multi-cycle compression, tensile, bending, and combinations thereof under the influence of internal or external pressure, temperature, and mechanical stresses. In the present invention, the bellows assembly also solves the problem of sealing, and most importantly, thermal insulation.

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.The essence of the claimed technical solution is illustrated in FIG. 1, which schematically depicts a TEC placed between the hot wall 1 and the cold wall 2 of the ramjet combustion chamber. The TEC cathode is made in the form of a cathode cup 3, the bottom of which is heated externally by radiation from a hot wall of a combustion chamber having a temperature of ~ 1600-1700 ° C. The inner side of the bottom of the glass is the emission surface. Around the bottom there is an annular protrusion, shading the space near the wall of the glass from thermal radiation. Inside the cathode cup 3, a ceramic-metal assembly 4 is located coaxially therefor, making mutual electrical insulation of the TEC electrodes, and then a massive anode 5 cooled by the cold wall 2 of the combustion chamber through the electrical insulation layer 6. The cathode cup 3, in turn, is inserted inside the bellows assembly 7. The bellows assembly provides sealing of the interelectrode gap cavity and maintaining this gap with the help of a spacer 8 made of insulating material while compensating for thermal expansion of the electrodes. In this case, the node is placed in the aforementioned shaded space near the wall of the glass. The cathode electrical terminal 9 and the anode electrical terminal 10 are used for current supply to the corresponding electrodes of the TEC.

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.The solution to this problem is provided by the presence of remote controllers and a bellows assembly, as well as the selected location of this assembly. In this case, the thermal resistance in the area of the emission surface - cathode current output almost doubles, and the heating of the annular protrusion around the bottom of the cathode cup compensates for heat leakage into the wall of this cup, which increases the value of the optimal thermal resistance of the wall. The bellows assembly also plays the role of a double screen, which reduces the radiation heat flux from the wall of the cathode cup to the surrounding space almost threefold. This allows you to reduce the height of the cathode cup without reducing the efficiency of energy conversion, due to which you can approximately halve the axial dimensions of the TEC.

Рассмотрим вариант осуществления настоящего изобретения.Consider an embodiment of the present invention.

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.A cathode cup with an outer diameter of ~ 44 mm with an annular protrusion ~ 10 mm wide around its bottom is made of refractory metal, for example, molybdenum, which is protected from high temperature corrosion by a coating based on molybdenum molybdenum. Outside, the bottom of the cathode cup has an additional heat-resistant coating up to 3 mm thick based on carbon materials, shown at 11 in the drawing, and from the inside - an emission coating in the form of a single-crystal tungsten layer with a thickness of ~ 100 μm. The anode is made in the form of a bimetallic structure consisting of a niobium electrode and a copper heat pipe protected from the corrosive effects of the environment by chromium or nickel plating. The MEZ remote control with a diameter of ~ 2-3 mm is made of ceramic based on scandium oxide or aluminum. MCU contains an insulator made of alumina, for example, monocrystalline, and cuffs of nickel alloys. The bellows assembly has an outer diameter of ~ 64 mm; therefore, for its shielding from the hot wall of the combustion chamber, an annular protrusion ~ 10 mm wide around the bottom of the cathode cup is sufficient. In this case, the total height of the structure does not exceed 25 mm.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

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.TEP is installed in the gap between the hot and cold walls of the ramjet combustion chamber, for example, ramjet ramjet of the P-800 rocket (https://ru.wikipedia.org/wiki/Onix_ (anti-ship_jet)), or ramjet ramp of any other known or planned aircraft. By heating the bottom of the cathode cup, the electron energy in the metal increases, as a result of which there appear electrons having an energy higher than the work function. When a positive voltage is applied to the anode, an electric current arises in the circuit, which is used to power the aircraft's onboard systems. The remote and the bellows assembly respectively ensure the constancy of the MEZ and the reduction of heat leakage along the walls of the glass. At the same time, it is precisely due to the proposed original layout of structural elements that the task can be solved - providing the possibility of using TEC in the gap between the hot and cold walls of the ramjet combustion chamber, where the distances are of the order of 20-30 mm.

Claims (1)

Термоэмиссионный преобразователь, включающий выполненный в виде стакана катод, дно которого обращено к источнику тепла, и установленные внутри катодного стакана коаксиально друг другу металлокерамический узел и массивный анод, образующий межэлектродный зазор с дном стакана, отличающийся тем, что преобразователь 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.Thermionic converter, including a cathode made in the form of a cup, the bottom of which is facing the heat source, and a ceramic-metal assembly coaxial to each other and a massive anode that forms an interelectrode gap with the bottom of the cup, characterized in that the converter further comprises at least one spacer the interelectrode gap, as well as the bellows assembly, placed outside the cathode cup coaxially to the latter, and the cathode cup is provided with an outer annular blunt surrounding the bottom of the glass and having a width sufficient for shielding bellows assembly from the heat source.

Images