2 / 12
А.В. Колычев, В.А. Керножицкий
2
Инженерный журнал: наука и инновации
# 5·2016
Кроме того, для надежного функционирования ГП космического
аппарата требуется непрерывная диагностика теплового состояния
элементов турбины ГП.
Способ и устройство охлаждения лопаток турбины на основе
явления термоэлектронной эмиссии.
Решением указанных проблем
может явиться разрабатываемый в БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Усти-
нова термоэмиссионный способ охлаждения (ТЭСО) лопаток турбин
ГП и других высокотемпературных элементов, который заключается
в следующем. Лопатки турбин ГП покрывают эмиссионным слоем из
материала с низким значением работы выхода электронов при высо-
кой температуре. При нагреве лопаток будет происходить термоэлек-
тронная эмиссия, т. е. с их поверхности начнут выходить «горячие»
электроны, забирая с собой теплоту. Лопатки с эмиссионным слоем в
данном случае являются катодом. Таким образом, электронами отво-
дится теплота, что способствует поддержанию температуры лопаток на
уровне, обеспечивающем их длительную эксплуатацию. При этом
эмиссия электронов происходит в поток рабочего тела.
Поскольку электроны являются носителями заряда, то получен-
ную ими энергию при нагреве катода можно использовать для со-
вершения полезной работы на электрической нагрузке. Для этого за
турбиной с эмиссионным слоем располагают элемент — анод, после-
довательно соединенный с катодом через полезную электрическую
нагрузку. Анод воспринимает «горячие» электроны эмиссии из пото-
ка рабочего тела. С анода «горячие» электроны переходят на электриче-
скую нагрузку и совершают на ней полезную работу. На электрической
нагрузке электроны отдают полученную при нагреве катода тепловую
энергию и при этом охлаждаются. Далее «остывшие» электроны
вновь оказываются на лопатках турбины, и цикл охлаждения повто-
ряется. При этом электроны попадают на быстровращающийся вал
через токосъем, например механический в виде электрических щеток.
Таким образом, система охлаждения лопаток ГП дополнительно
генерирует электрическую энергию, что тоже повышает его КПД.
Кроме того, увеличиваются надежность и долговечность ГП, одно-
временно снижается стоимость их изготовления и эксплуатации.
Принципиальная схема реализации описанного ТЭСО лопаток
турбины представлена на рис. 1, а устройство охлаждения — на рис. 2.
Определяющей характеристикой эмиссионного слоя является
ра-
бота выхода А
вых
электрона из металла
. Ее влияние на температуру
при соответствующей тепловой нагрузке сплошных лопаток турбины
показано на рис. 3. Как видно, при использовании термоэмиссионно-
го устройства охлаждения температура
л
Т
лопаток турбины, равная
800…1000
°
С, снижается на 100…150
°
С. Одновременно при сохра-
нении той же температуры лопаток турбины можно увеличить на них
тепловую нагрузку в 4–6 раз.