Топ-100
Сделать домашней страницей Добавить в избранное



Главная Техника/технологии Технологии будущего

Термоэмиссионные Турбины

О создании принципиально новых систем охлаждения высокотемпературных элементов сложных технических систем


19 апреля 2018 года / Алексей Колычев / Aviation EXplorer
 

Для снижения расхода топлива необходимо повышать температуру в двигателе. Но при этом начинают греться элементы двигателя, а более горячие элементы служат меньше. В результате возрастает стоимость кап. ремонта, которая может превосходить эффект от экономии топлива. Поэтому необходимо охлаждать греющиеся элементы двигателя. Однако, существующие системы охлаждения воздухом характеризуются высокой сложностью и низкой эффективностью.

В 2011 году объем рынка авиационных двигателей составил 60.1 млрд. долл. Около 75% указанной суммы приходится на гражданские двигатели. К 2025 году его объем вырастет в 1,7 раза и составит 100,8 млрд. долларов США. Около 76% этой суммы придется на гражданские двигатели.

1.5 млрд. долл. и 20 лет занимает разработка двигателя 6-го поколения, большая часть из которых направлены на увеличение эффективности систем охлаждения горячих элементов Так, у двигателя GE7200 для Airbus A380 на 1% экономичность выше, чем у двигателя RR Trent 900, что позволяет экономить 1.7 млн. долл. в год на один самолёт Airbus A380 (30-40 млн. за жизненный цикл). Однако при напряжении в 300 МПа время до разрушения сплава ЖС32 моно при 1000 °С - 500 часов, при 900 °С – 10000 часов, что свидетельствует о влиянии температуры на ресурс горячих элементов.

При разработке двигателя ПД-14 пришлось снизить температуру в двигателе на 60-70 °С по сравнению с зарубежными аналогами по причине того, что в обратном случае стоимость ремонта была бы выше, чем экономия топлива, что свидетельствует о низкой эффективности существующих воздушных систем охлаждения. Зарубежным производителям пришлось сделать то же самое и по той же причине, но уже после поставки, что привело к выплате неустоек.

Решить проблему поможет Термоэлектронная эмиссия

Технология ‐ достоинства

  1. Возможность повышения температуры рабочего тела (газа) перед турбиной до максимальной температуры сгорания органических топлив порядка 2600…2700 К и выше (для других источников тепловой энергии) без увеличения количества отбираемого воздуха (или вовсе исключения такого отбора) либо снижение максимальной температуры ЛТ на 300-400 К по сравнению с температурой ЛТ*** в существующих ГТУ** и ГД*, что обусловлено большим количеством тепловой энергии (1.5-9 МВт и до 100 МВт с 1 м2) отводимой электронами при Термоэлектронной Эмиссии.

  2. Рост КПД простого цикла ГТУ и ГД до 43-44 %, как за счет возможности повышения температуры рабочего тела (газа) (см. п.1.), за счет дополнительной электрогенерации, а также за счет отсутствия необходимости отбора воздуха от компрессора.

  3. Снижение температурных напряжений в ЛТ. Это приводит к более интенсивному отводу тепла электронами от более нагретых поверхностей ЛТ, а изменение величины отвода тепла с ростом температуры происходит без задержек с нулевой инерцией. Известно, что в настоящее время температурные напряжения примерно равны механическим напряжениям в ЛТ. Это основа для увеличения ресурса.

  4. Снижение стоимости изготовления и эксплуатации ГТУ и ГД за счет существенного упрощения конструкции ЛТ, при котором исключается необходимость создания каналов охлаждения воздухом. При этом с учетом п. 3 появляется возможность создавать основные элементы ГТУ и ГД при помощи 3D-принтеров, печатающих металлами и сплавами.

  5. Диагностика теплового состояния турбины и других высокотемпературных элементов в режиме реального времени на основе измерения электротехнических параметров, зависящих от количества воспринимаемых Анодом Электронов Эмиссии.

  6. 6. Возможность модернизации производимых в стране ГТУ и ГД (например, НК-32) до уровня, превосходящего все передовые мировые разработки ГТУ и ГД.

  7. Кроме того, возможно появление новых видов Газотурбинной Техники и новых объектов Энергетики и Транспорта на их основе. По некоторым оценкам Охлаждение при Термоэлектронной Эмиссии могут достигать величины в 100 МВт/м2, в том время как ЛТ ГТУ и ГТД работают при нагреве в 2-3 МВт/м2.

  8. Возможность охлаждения и снижения температурных напряжений и деформаций изделий из керамики на основе металлоподобных соединений (бориды и карбиды), что обеспечит повышение их трещиностойкости.

*ГД – газотурбинный двигатель, **ГТУ – газотурбинные установки, *** ЛТ – лопатки турбин

Области применения

  • Авиастроение, в том числе перспективные широкофюзеляжные авиалайнеры, перспективные сверхзвуковые коммерческие узкофюзеляжные авиалайнеры

  • Двигателестроение (рост экономичности и основных характеристик ГД до уровня, опережающего зарубежные разработки )

  • Вертолетостроение, в том числе конвертопланы и высокоскоростные вертолеты

  • При создании космических аппаратов сверхтяжелого класса (орбитальные буксиры) нового поколения на основе газотурбинного преобразования с длительным сроком активного существования, предназначенных для решения широкого круга задач по освоению и исследованию космического пространства, в том числе при организации новых орбитальных производств, освоение полезных ископаемых на астероидах, осуществление автоматических и пилотируемых исследовательских миссий к телам и объектам Солнечной Системы.

  • При разработке новых типов ГД для беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), обеспечив тем самым повышенную энергетику при меньшей суммарной массе, а также повышенную надежность и долговечность. При этом размеры БПЛА не оказывают существенного влияния на характеристики ГД для БПЛА.

  • При создании коммерческих систем вывода полезного груза и туристов на орбиту, в том числе на основе применения возвращаемой первой ступени самолетного типа с ГД или просто транспортного самолета, суборбитальных туристических систем на основе применения ГД как участке вывода, так и на участке спуска и посадки.

  • При создании жидкостных ракетных двигателей для первых и вторых ступеней ракето-носителей многоразового применения, в качестве основной или дополнительной системы охлаждения сопла, камеры сгорания, при создании турбонасосных агрегатов, подвергающихся большим тепловым нагрузкам за очень короткое время.

  • Топливно‐энергетический комплекс (ожидаемая экономия оценивается миллиардами долларов в масштабе страны) при создании и модернизации объектов энергетики любых масштабов и габаритов на основе ГТУ.

  • Кораблестроение, в том числе при создании энергетических установок для кораблей ближней и дальней морской зоны, а также ледоколов для освоения Арктики

  • В нефтегазовой сфере при создании газоперекачивающих агрегатов и систем на основе энергетических ГТУ.

  • При разработке новых типов Термоэмиссионных ГТУ и ГД, а также новых видов специальной техники.

  • При разработке ГД наземной техники, например, автомобилей, мотоциклов и др., поскольку повышение КПД ГД позволит ликвидировать основной недостаток ГД по сравнению с бензиновыми и дизельными двигателями.

  • При разработке и создании приземно‐летающей техники, например, актуальным в настоящее время является создание «летающих» автомобилей и мотоциклов

Термоэмиссионная система охлаждения
Контурные тепловые трубы
Максимальный тепловой поток
охлаждения
Теоретические оценки
10000 Вт/см2 при работе выхода 1 эВ и
температуре 300 К
Практически достигнутые плотности
электронного охлаждения
2000 Вт/см2
100 Вт/см2 *
Возможность охлаждения сложных теплонапряженных динамических объектов (лопаток турбин)
да
высокая сложность
Форма реализации
Покрытие (min 0.6-0.8 атомного слоя)
или
Модификация покрытия (ионная
имплантация)
Испаритель, фетиль, паропровод,
конденсаторопровод, радиатор и др.
Генерация дополнительной
электрической энергии
да
нет
Возможность выступить дополнительной системой охлаждения к воздушной,
жидкостной, КТТ и др.
да (покрытие)
нет (условно)
Модернизация существующих ракетных двигателей
да (покрытие)
нет
Охлаждение изделий сложной формы из керамики на основе металлоподобных соединений (бориды и карбиды)
да (покрытие)
нет

* ООО «Теркон-КТТ» (http://sk.ru/net/1121085/)

Конкуренты

В настоящий момент работы в США только начались, что подтверждает статья и журнала AIAA: Luke Uribarri and Edward H. Allen. "Electron Transpiration Cooling for Hot Aerospace Surfaces", 20th AIAA International Space Planes and Hypersonic Systems and Technologies Conference, International Space Planes and Hypersonic Systems and Technologies Conferences (AIAA 2015-3674), 2015.

Данная статья об обосновании и оценке применения явления Термоэлектронной Эмиссии (ТЭ) на Высокотемпературных Элементах (ВЭ) Высокоскоростных Летательных Аппаратах (ВЛА) и Лопатках Турбин (ЛТ) Газотурбинных Установок (ГТУ) и Газотурбинных Двигателей (ГД).

Определённых схем реализации явления термоэлектронной эмиссии и электронного охлаждения на ВЭ ВЛА и ЛТ ГТУ и ГД в данной статье не приведено, в то время, как у нас уже получены патенты на изобретения и полезные модели на способ и устройства.

Однако в статье говорится о больших преимуществах, которые можно получить в случае применении явления ТЭ.


Теоретически возможно дополнительное преобразование тепловой энергии нагрева лопаток турбин в электрическую энергию, что позволит повысить эффективность электрических летательных аппаратов.

Кроме этого, зависимость термоэмиссионного охлаждения от температуры близкая к экспоненциальной позволит снизить температуру и температурные напряжения (деформации) как в элементах, напечатанных на 3D–принтерах, так и в керамических элементах на основе металлоподобных соединений (боридов и карбидов).

То есть, Термоэмиссионное охлаждение может найти применение и для охлаждения изделий из керамики любой сложной формы на основе металлоподобных соединений (боридов и карбидов), что позволит повысить их трещиностойкость. Иными словами, мы можем решить проблему создания керамических турбин и любых других керамических теплонапряженных элементов. До недавнего времени считалось, что охлаждение сложнейших керамических деталей очень трудноосуществимо.

Таким же образом можно охлаждать любые типы двигателей, в том числе и те, что обеспечивают намного более высокие скорости, например, скорости систем для вывода полезного груза на орбиту или скорости перемещения за 1 час до Австралии пассажирского авиалайнера.


Алексей Колычев

комментарии (4):

Михаил_К      19/04/2018 [10:18:22]#1
Интересный подход, но какой срок службы у такой системы!? Для энергетических ГТД большой эффект даёт паровое охлаждение, что для авиации весьма проблематично.

Старый конструктор      19/04/2018 [12:03:00]#2
Тончайшее покрытие "испарится" очень быстро. Поэтому о каком-то серьёзном ресурсе говорить не приходится. Может подойти для военных самолётов с целью увеличения тяги (особенно в форсажных режимах) при сохранении массо-габаритных показателей ТРД.

Любитель авиации      21/04/2018 [11:04:57]#3
СЕО в авторах изобретения это конечно ноу-хау намбер уан:-)
Но суть вопроса в другом. Какова энергия, уносимая с детали одним термоэмиссионным электроном?
Наверняка порядка электрон-вольтов.
Тогда, чтобы снять 1 МВт тепла таким эффектом - потребуется пропускать через подшипники ротора турбины ток силой 1 МА (мегаампер). Занавес!

Arwielao      27/05/2018 [18:45:30]#4
Здравствуйте!
Каждый электрон при выходе забирает с собой тепловую энергию порядка работы выхода и его кинетическую энергию, что для характерных плотностей тока эмиссии 1-2 А/см2 – это примерно 40 кВт/м2. Однако, известны данные о достижении и 10-20 А/см2, и 100-200 А/см2. Тем более основной нагрев сконцентрирован на небольших участках горячих элементов (порядка нескольких см2. Для сравнения, допустимые плотности тока для медного проводника примерно 1000 А/см2.









Материалы рубрики

Станислав Голубев
Знакомьтесь - Ми-38VeryVIP
Андрей Жарков
Самолет Ту-154М «Ижма» установлен в музее аэропорта «Толмачёво»
Роман Гусаров
Аэрофлот получил пятидесятый Superjet 100
Р.Гусаров,Ю.Кузьмина
Новый авиатренажер Dream Aero в ТРЦ «Vegas»
Aviation Explorer
RUBAE 2018
Юлия Кузьмина
Затянувшееся ожидание Mitsubishi Regional Jet
Михаил Вахнеев
«В гостях у Utair» - 2018
Юлия Кузьмина
Новый учебный центр NW Training



Евгений Матвеев
КВРы «НАКРЫЛИСЬ» КОВРами!?
Владимир Карнозов
Неуправляемая авиационная ракета С-8ОФП
Роман Гусаров
Второй МС-21 присоединился к летным испытаниям
Сергей Кравченко
О самолетах, титане и научно-исследовательском центре
Юлия Кузьмина
Farnborough Airshow 2018
Владимир Карнозов
Дуополия отказала Ирану, придется брать «Суперджет»?
Михаил Вахнеев
Самое сложное – создать коллектив, способный строить гражданские самолеты
Р.Гусаров, Ю.Кузьмина
Об «искусственном зрении» скоростного беспилотного вертолета
Юлия Кузьмина
Десятилетие первого полета Superjet 100
Роман Гусаров
Господдержка Boeing с Airbus и войны в ВТО
Юлия Кузьмина
Взлет второго МС-21-300
Юлия Кузьмина
Eurasia Airshow 2018
Александр Рубцов
О создании нового "Суперджета" RRJ75
Владимир Карнозов
Су-30МКИ – «звезда» воздушной части салона DefExpo’2018
Алексей Колычев
Термоэмиссионные Турбины
Михаил Вахнеев
МФД-2018 - смотр достижений российского двигателестроения
Юлия Кузьмина
«Москва Карго» - крупнейший авиационный грузовой комплекс России
Евгений Матвеев
О Бюллетенях. Существенно или несущественно?
Р.Гусаров, Ю.Кузьмина
ПД-35 - локомотив развития аэрокосмической отрасли России
Роман Гусаров
Как создается ПД-14 для МС-21
Владимир Карнозов
О реактивном самолете для региональных линий и не только
Роман Гусаров
О производстве современных систем управления для российских авиадвигателей
Алексей Рыжов
Dassault Systèmes – партнер авиационной и космической отраслей России
Олег Худоленко
Концепции реформирования существующих процедур установления и подтверждения ресурсов и сроков службы российских вертолетов и их агрегатов
Михаил Вахнеев
Питерский «Альманах»
Михаил Вахнеев
ЮТэйр увеличивает парк вертолетов
Владимир Карнозов
Ноябрьские выкатки: Ту-160М2 и Ил-78М-90А
Иркут
Статус программы МС-21-300
Юлия Кузьмина
Двухэтажный поезд отправляется в аэропорт Внуково
Михаил Вахнеев
США и Россия развивают совместное производство в г.Кимры
Юлия Кузьмина
МС-21 прибыл в Жуковский
Михаил Вахнеев
Новое предприятие НПО «Наука» в Першино

 

 

 

 

Реклама от YouDo
 
РЕКЛАМА ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ АККРЕДИТАЦИЯ ПРЕСС-СЛУЖБ

ЭКСПОРТ НОВОСТЕЙ/RSS


© Aviation Explorer