УСТРОЙСТВО ОХЛАЖДЕНИЯ ЛОПАТОК ТУРБИН ВЫСОКОНАДЕЖНЫХ ТУРБОМАШИННЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ, ОСНОВАННОЕ НА ЯВЛЕНИИ ТЕРМОЭЛЕКТРОННОЙ ЭМИССИИ

© В.А.Керножицкий, А.В.Колычев
© Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского, г. Калуга
Секция "Проблемы ракетной и космической техники"
2015 г.

В настоящий исторический момент в России ведется разработка транспортного энергетического модуля (ТЭМ) для решения задач исследования Луны, Марса и других космических тел.

Проект данного ТЭМ включает турбомашинный преобразователь по циклу Брайтона, который обеспечит борт электрической энергией порядка 1 МВт. Предполагается, что данное устройство должно функционировать на орбите без технического обслуживания в течение срока порядка 10 лет. Температура рабочего тела перед турбиной должна составлять величину порядка 1500oС. Реализация указанных параметров требует поиска новых технических решений, в том числе связанных с обеспечением высокого уровня надёжности и безотказности турбомашинного преобразователя в течение заданного срока его функционирования.

Предложено устройство охлаждения лопаток турбин высокотемпературных турбомашинных преобразователей.

Предлагается рабочие и сопловые лопатки турбины выполнять из электропроводящего материала с высокой температурой плавления, а на их поверхность наносить эмиссионный слой (катод), обеспечивающий эмиссию «горячих» электронов в обтекающее лопатки турбины рабочее тело. После катода на пути движения рабочего тела, располагается элемент — анод, предназначенный для восприятия всех эмитированных в рабочее тело электронов эмиссии. Анод электрически связан с катодом, образуя электрическую цепь. Между анодом и катодом в указанной электрической цепи располагается электрическая нагрузка, где «горячие» электроны эмиссии совершают полезную работу, затрачивая ту энергию, которую они получили в нагреваемых лопатках турбины, что приводит к их «охлаждению». То есть, часть тепловой энергии нагрева лопаток турбины преобразуется в электрическую энергию.

Предлагаемое устройство обладает следующими достоинствами:

1. При сохранении той же тепловой нагрузки на лопатки турбины появляется возможность снизить их температуру либо, при сохранении той же температуры лопаток турбины, существенно повысить тепловую нагрузку на них же. Например, согласно расчётам, при постоянных тепловых потоках нагрева лопаток в 1 МВт/м2 температура участка поверхности лопаток не превысит 1100–1200oC. Это объясняется тем, что величина тепловых потоков, отводимых от лопаток только электронами, может составлять величину порядка 1,5–2 МВт/м2, а также существенно превышать её.

2. Полностью исключается необходимость создания сложной системы каналов охлаждения внутри лопаток.

3. Дополнительно происходит преобразование тепловой энергии нагрева лопаток в дополнительную электрическую энергию на борту. Данный дополнительный источник электрической энергии может явиться основным в случае возникновения критических ситуаций, связанных с прекращением генерации электроэнергии турбомашин-ным способом.

Указанные достоинства позволяют утверждать, что применение предлагаемого устройства охлаждения лопаток турбин на основе явления термоэлектронной эмиссии позволит существенно повысить надёжность и долговечность лопаток турбин и турбомашинного преобразователя в целом, одновременно снизить стоимость его создания, испытания, отработки и эксплуатации, уменьшить вероятность внештатной ситуации при длительном (10–15 лет) его функционировании.