ЭЛЕКТРОДНАЯ СТЕНКА МГД-КАНАЛА Российский патент 1994 года по МПК H02K44/12 

Изобретение относится к области прямого преобразования энергии с помощью МГД-генераторов, а именно к конструкции электродной стенки канала импульсного МГД-генератора.

Работа импульсных МГД-генераторов характеризуется экстремальными условиями: температура - более 4000 К, давление - до 1 МПа, скорость - до 2,5 м, тепловой поток - (1-2) МВт/м², плотность тока - (10-20) А/см², тепловая нагрузка является неравномерной и нестационарной. Повышенные циклические взрывные тепловые и электрические нагрузки делают чрезвычайно сложной проблему создания надежно работающих, ремонтопригодных стенок генерирующего МГД-канала, в частности электродных стенок.

Известна электродная стенка МГД-канала, содержащая силовую панель, токосъемные электроды, токоотводящую шину и соединяющие их шпильки, ввернутые в электроды со стороны силовой панели и поджатые к шине с помощью гаек.

Такая электродная стенка имеет слабый односторонний электрический контакт с шиной, приводящий при его ослаблении и характерном токе на электрод более 1 кА к электродуговому разрушению. При использовании в качестве материала электрода графита усилие затяжки ограничено из-за возможного срыва резьбы в электроде. При срыве резьбы или растрескивании электрода происходит его полный унос и разрушение стенки высокотемпературным потоком плазмы. При ремонте замена электрода невозможна без разборки стенки для доступа к гайке.

Известна электродная стенка МГД-канала, выбранная в качестве прототипа, содержащая силовую панель, электроды, расположенные на шине, и металлические крепежные узлы в виде винта с головкой, расположенной со стороны рабочей огневой поверхности, и гайки с пружинной шайбой для поджатия к шине. В данной конструкции за счет буртика головки винта повышается вероятность фиксации электрода при его растрескивании.

Однако известная электродная стенка имеет ряд недостатков. При повышенном нагреве, например, в месте скачка уплотнения или сильной концентрации тока из-за эффекта Холла возможно ослабление крепления электрода. Одной из причин является потеря упругих свойств пружинной шайбы. Дополнительно, при прямом нагреве толстой шины, имеющей больший коэффициент линейного расширения (медь) по сравнению с винтом (молибден, вольфрам) происходит ее избыточное расширение, приводящее к повышенным напряжениям, деформации винта и резьбы. В результате снижается надежность электрического контакта и крепления. Из-за необходимости при смене электрода разборки всей стенки низкой является ремонтопригодность. Кроме того, прямой контакт электрода с высокотеплопроводной шиной при использовании высокостойкого теплопроводного изотропного материала, например графита В-1, ведет к снижению температуры электрода, повышению приэлектродных потерь и прохождению тока на электрод в сильноточном дуговом режиме, вызывающем повышенный электроэрозионный износ. Использование низкотеплопроводных анизотропных материалов типа пирографитов (ПГВ, УКМ, УПА, ПГА) с целью повышения температуры электрода ограничено из-за их низкой стойкости в данных жестких условиях эксплуатации. Поскольку в качестве основного теплоаккумулирующего элемента выступает шина, ее толщина должна быть повышенной. Кроме увеличения массы стенки, это ведет к необходимости компенсации повышенных термических напряжений и расширений протяженной массивной шины за счет ее выполнения составной с ограничением надежности электрических контактов. Наряду с узлами крепления электродов необходимым является крепление шины. При работе в двухфазном высокотемпературном потоке на границе винт-электрод в случае выполнения последнего из графита возможно спекание материалов с образованием карбидов. Ситуация усугубляется при множестве электродов и узлов крепления в МГД-канале, каждый из которых практически работает в условиях нестационарной и неопределенной тепловой нагрузки и имеет неизбежные отклонения от номинальных размеров.

Отмеченные недостатки в целом ограничивают надежность в ремонтопригодность электродной стенки канала МГД-генератора.

Целью изобретения является повышение надежности и ремонтопригодности электродной стенки МГД-канала за счет устранения спекания электродов с элементами крепежного узла.

Цель достигается тем, что в электродной стенке МГД-канала, содержащей силовую панель, электроды, электрически соединенные между собой, и металлические разъемные крепежные узлы, соединяющие электроды с шиной и включающие винты с головками, расположенными со стороны огневой поверхности, согласно изобретению винт выполнен составным, состоящим из головки в виде колпачковой гайки и шпильки, соединяющей головку с шиной, причем шпилька выполнена из материала, коэффициент линейного расширения которого больше коэффициентов линейного расширения материалов электрода и головки, а электрод и головка выполнены из материалов с одинаковыми коэффициентами линейного расширения.

Силовая панель расположена между электродами и шиной, а каждая шпилька соединена с шиной с помощью двух охватывающих шину гаек, одна из которых опирается на силовую панель.

На фиг. 1 представлен МГД-канал; на фиг. 2 - узел I на фиг. 1 (сечение электродной стенки); на фиг. 3 - вид по стрелке А на фиг. 1 (электродная стенка со стороны огневой поверхности).

МГД-канал 1 содержит две изоляторные 2 и две электродные 3 стенки, образующие проточный тракт. На торцах установлены входной 4 и выходной 5 фланцы для стыковки соответственно с генератором плазмы и системой отвода, канал расположен в магните (не показан).

Электродная стенка включает силовую панель 6, электроды 7, шину 8. Электроды 7 и шина 8 закреплены и соединены с помощью узла, содержащего колпачковую гайку 9, шпильку 10, гайки 11 и 12. Снаружи на стенке установлена крышка 13. Электроды 7 выполнены из термостойкого материала с малым коэффициентом линейного расширения (графит, вольфрам, молибден), гайка 9 выполнена из вольфрама, молибдена, шпилька 10 и гайки 11 и 12 - из стали, имеющей более высокий коэффициент линейного расширения, в качестве материала шины 8 используется медь, известная высокой электропроводностью.

При движении по каналу токопроводящей плазмы в магнитном поле генерируется ЭДС, ток из плазмы поступает на электроды и через крепежные узлы и шину отводится к нагрузке.

Выполнение электродов 7 и гайки 9 из термостойких материалов с однородными свойствами обеспечивает их высокую стойкость в высокотемпературном потоке плазмы, исключает радиальные напряжения и спекание. Быстрый прогрев прилегающих к огневой поверхности контактов электрод 7 - гайка 9, гайка 9 - шпилька 10 обеспечивает их низкое электросопротивление. Надежность контакта шпилька 10 - шина 8 достигается стягиванием шины двумя охватывающими гайками 11 и 12, шина 8, расположенная в холодной зоне, имеет минимальное электросопротивление. Последнее позволяет иметь минимальную толщину шины, а следовательно, и минимальные механические напряжения.

Выполнение шпильки 10 из материала с коэффициентом линейного расширения большим, чем коэффициенты линейного расширения материалов гайки 9 и электрода 7, обеспечивает: в одном случае - повышенное расширение шпильки 10 относительно гайки 9 и дополнительное снижение их контактного электросопротивления при работе в горячем состоянии (избыточное расширение локализуется в гайке), ограничение механических напряжений, деформаций и ослабления затяжки в узле крепления за счет примерно равных линейных расширений горячего электрода 7 и относительно холодной шпильки 10 с большим коэффициентом линейного расширения, в другом случае - легкость свинчивания гайки при обслуживании в холодном состоянии, так как, наряду с обычной посадкой гайка-шпилька, после окончания работы и термолизации стенки шпилька, зафиксированная относительно панели, имеет избыточное расширение относительно электрода и происходит подвижка гайки, обеспечивающая устранение спекания.

Расположение электродов 7 на теплоизолированной силовой панели 6 повышает температуру их огневой поверхности, что способствует снижению тепловых и приэлектродных потерь, прохождению тока на электроды в распределенном режиме и повышению электроэрозионной стойкости. Возможность применения тонкой шины 8 максимально снижает напряжение и ослабление затяжки гаек 11 и 12 при работе. Конструкция стенки позволяет с помощью одного узла крепления соединять электроды 7, силовую панель 6 и шину 8. Отклонения размеров при массовом производстве и различие в тепловой нагрузке не ограничивает работоспособности стенки.

Сущность изобретения: электродная стенка МГД-канала содержит электроды, шину, силовую панель, расположенную между электродами и шиной, и разъемные крепежные узлы, соединяющие электроды с шиной. Каждый крепежный узел включает шпильку, колпачковую гайку, выходящую на огневую поверхность стенки, и две гайки, охватывающих шину, одна из гаек опирается на силовую панель. Колпачковая гайка и электрод выполнены из материалов с одинаковыми коэффициентами линейного расширения, а шпилька выполнена из материала, коэффициент линейного расширения которого больше соответствующих коэффициентов электрода и колпачковой гайки. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. ЭЛЕКТРОДНАЯ СТЕНКА МГД-КАНАЛА, содержащая силовую панель, шину, электроды, электрически соединенные между собой, металлические разъемные крепежные узлы, соединяющие электроды с шиной и включающие винты с головками, расположенными со стороны огневой поверхности, отличающаяся тем, что, с целью повышения надежности и ремонтопригодности за счет устранения спекания электродов с элементами крепежного узла, винт выполнен составным, состоящим из головки в виде колпачковой гайки и шпильки, соединяющей головку с шиной, причем шпилька выполнена из материала, коэффициент линейного расширения которого больше коэффициентов линейного расширения материалов электрода и головки, а электрод и головка выполнены из материалов с одинаковыми коэффициентами линейного расширения. 2. Стенка по п. 1, отличающаяся тем, что силовая панель расположена между электродами и шиной, а каждая шпилька соединена с шиной с помощью двух охватывающих шину гаек, одна из которых опирается на силовую панель.