САМОВОЗБУЖДАЮЩИЙСЯ МГД-ГЕНЕРАТОРА Российский патент 1995 года по МПК H02K44/08 

Изобретение относится к магнитогидродинамическому (МГД) способу получения электроэнергии и может быть использовано для создания мощных и эффективных самовозбуждающихся многоканальных (не менее трех МГД-каналов) МГД-генераторов на продуктах сгорания специальных плазменных топлив при работе на активно-индуктивную нагрузку, сопротивление которой соизмеримо или превышает внутреннее сопротивление генератора, преимущественно для геофизических исследований.

Известна самовозбуждающаяся МГД-установка "Памир-1" [1], содержащая два последовательно соединенных (с целью увеличения генерируемого напряжения) МГД-канала фарадеевского типа со сплошными электродами, к которым подключены параллельно безжелезный неохлаждаемый электромагнит и автономная (рабочая) нагрузка (геофизический диполь электрического типа с суммарным омическим сопротивлением около 1,3 Ом). Стабилизация магнитного поля на номинальном уровне, соответствующем максимуму генерируемого МГД-каналами напряжения, осуществляется посредством включения балластного сопротивления (резистора) в цепь возбуждения МГД-генератора последовательно с обмоткой электромагнита. К недостаткам данной схемы самовозбуждающегося МГД-генератора относится ее низкая надежность, связанная с тем, что она (схема) является динамически неустойчивой и весьма критичной к разбросам целого ряда параметров: температуры окружающей среды (влияющей на параметры геофизического диполя, электромагнита и других элементов схемы), энергетического комплекса рабочего тела (плазмы), расхода рабочего тела, омического сопротивления нагрузки. КПД такой схемы сравнительно низок, поскольку используется она для высокоомных нагрузок (отбор тока в нагрузку почти на порядок меньше тока питания электромагнита).

Решением, наиболее близким предложенному по технической сущности и достигаемому эффекту, является двухканальный самовозбуждающийся МГД-генератор "Памир-2" [2], содержащий источник начального возбуждения и нагрузку, в котором один канал соединен с обмоткой возбуждения электромагнита, а второй канал подключен к нагрузке. Оптимальное согласование МГД-генератора с нагрузкой, а также расширение диапазона рабочих нагрузок достигается в данной схеме за счет электрической развязки МГД-канала цепи возбуждения (канала электромагнита) и МГД-канала цепи нагрузки (канала нагрузки). При этом стабилизация магнитного поля в рабочем объеме электромагнита (где размещены оба МГД-канала) обеспечивается за счет использования режима так называемого магнитогидродинамического запирания (МГД-запирания) канала электромагнита, чем достигается максимальный КПД при данном расходе рабочего тела (плазмы) при условии оптимального согласования МГД-канала нагрузки с рабочей нагрузкой: величина омического сопротивления рабочей нагрузки должна быть примерно равна внутреннему омическому сопротивлению МГД-канала нагрузки, работающему в режиме внешнего (независимо) возбуждения, иначе КПД генератора будет низок. Данный самовозбуждающийся МГД-генератор, выполненный по так называемой раздельной схеме, является, фактически, экстремальной самонастраивающейся системой, которая автоматически (без управления извне) обеспечивает примерно постоянство и максимальную величину магнитной индукции в МГД-каналах, в том числе и при отклонении параметров плазмы (энергетического комплекса и расхода рабочего тела) от их номинальных значений. К недостаткам данной схемы относятся повышенные требования к энергетическим характеристикам плазмы - энергетическому комплексу плазмы (определяемому как произведение проводимости плазмы на квадрат скорости продуктов сгорания) и секундному расходу рабочего тела (плазмы продуктов сгорания топлива). Для обеспечения надежной работы прототипа в квазистационарном режиме работы на нагрузку указанные выше энергетические параметры плазмы должны в 1,5-2 раза превышать их некоторые номинальные значения, определяемые по условию самовозбуждения МГД-генератора (т.е. выходная электрическая мощность МГД-канала цепи возбуждения электромагнита должна превышать с запасом мощность джоулевых потерь в обмотке возбуждения). Это требование существенно ограничивает возможность использования в прототипе получивших наибольшее распространение генераторов плазмы с камерой сгорания типа ракетных двигателей, работающих на твердом плазменном топливе [1]. Последние имеют, однако, специфический недостаток - технологические и температурные разбросы баллистических (давления в камере сгорания, секундного расхода плазмы и скорости потока плазмы) и электрофизических (электропроводности плазмы и, соответственно, энергетического комплекса плазмы) характеристик топлива. Реальные разбросы указанных параметров топлива могут достигать до +50% от некоторого среднестатистического номинала в пределах допустимой температуры горения заряда твердого топлива, что и определяет еще один недостаток прототипа - невозможность работы при пониженных характеристиках плазмы.

Техническим результатом изобретения является: повышение надежности и эффективности самовозбуждающегося МГД-генератора, а также обеспечение работоспособности (стабильного режима работы) генератора при пониженных относительно номинала значениях энергетического комплекса плазмы и (или) расхода рабочего тела (плазмы).

Указанный технический результат достигается тем, что в известном самовозбуждающемся МГД-генераторе, содержащем источник начального возбуждения, цепь электромагнита, включающую первый МГД-канал с источником рабочего тела (ИРТ), первый токовывод которого подключен к одному из двух выводов обмотки электромагнита, и цепь нагрузки, включающую второй МГД-канал с ИРТ, подключенный своими токовыводами к нагрузке, согласно изобретению, генератор снабжен третьим МГД-каналом с ИРТ, подключенным параллельно второму МГД-каналу и имеющим с ним общие токовыводы, причем второй токовывод первого МГД-канала подключен к первому общему токовыводу второго и третьего МГД-каналов, а второй общий токовывод последних подключен к другому выводу обмотки электромагнита.

Кроме того, для обеспечения начала процесса самовозбуждения и отключения источника начального возбуждения (ИНВ) от генератора в цепь электромагнита включен замыкатель.

Для сокращения времени самовозбуждения МГД-генератор, а также для формирования (по форме и длительности) переднего фронта импульса тока в нагрузке в цепь нагрузки включен замыкатель.

Для формирования заднего фронта импульса тока в нагрузке в цепь нагрузки включен размыкатель, а нагрузка шунтирована цепью, состоящей из вентиля и последовательно соединенного с ним резистора.

Для ограничения тока в обмотке электромагнита, а также для повышения энергетической эффективности генератора в цепь электромагнита последовательно с обмоткой возбуждения включен резистор, шунтированный размыкателем.

Для вывода электромагнитной энергии из магнита в конце работе генератора обмотка электромагнита шунтирована цепью, состоящей из вентиля и последовательно соединенного с ним резистора.

Для расширения функциональных возможностей генератора обмотка электромагнита выполнена секционированной, причем по меньшей мере одна из секций шунтирована замыкателем.

Для повышения автономности генератора и расширения его функциональных и энергетических возможностей в качестве источников рабочего тела (ИРТ) МГД-каналов используется твердотопливный генератор плазмы (ТТ ГП).

И, наконец, для расширения функциональных возможностей генератора ТТ ГП снабжен системой термостатирования заряда топлива.

Характерной особенностью предложенного технического решения трехканального самовозбуждающегося МГД-генератора является комбинированная схема соединения трех МГД-генераторов между собой и схема подключения к ним электромагнита и рабочей нагрузки, позволяющие реализовать:
а) повышенное напряжение на обмотке электромагнита, в результате чего появляется возможность за счет использования последовательного соединения секций электромагнита снизить до минимума ток питания электромагнита и уменьшить тем самым мощность джоулевых потерь в обмотке электромагнита, что позволяет, в свою очередь, снизить требования к энергетическим параметрам плазмы;
б) максимальный рабочий ток в нагрузке на уровне, превышающем номинальный ток одного МГД-канала (при прочих равных условиях);
в) режим максимального отбора электрической мощности от всех трех МГД-каналов, т. е. согласовать их как с омическим сопротивлением обмотки электромагнита (при любой схеме соединения секций обмотки), так и с омическим сопротивлением рабочей нагрузки (близкой по порядку величины, с внутренним омическим сопротивлением одного МГД-канала).

В основе достигнутых перечисленных выше положительных эффектов лежит закономерность переходных процессов в самовозбуждающейся системе "электромагнит - МГД-канал", характеризуемая неизбежным достижением в самовозбуждающемся МГД-генераторе, если не принять специальных мер, режима так называемого МГД-запирания канала, приводящего наряду с дальнейшим нарастанием тока в электромагните к резкому снижению генерируемого напряжения, но обладающая способностью выхода из этого режима (со слабым гистерезисом) и восстановления генерирующих свойств МГД-канала при уменьшении воздействия электромагнитных полей.

Предлагаемая схема самовозбуждающегося МГД-генератора основана на использовании "сверхэффекта МГД-запирания трех МГД-каналов одновременно, что создает дополнительные возможности, по надежности работы МГД-генератора и снижению требований к энергетическим параметрам плазмы: схема некритична (т. е. работоспособна) к разбросам параметров трех различных генераторов плазмы; схема некритична к разбросам электромагнитных параметров магнитной системы - электромагнита; схема неизбежно выходит из квазистационарный режим питания нагрузки; наконец, схема работоспособна при минимально допустимых значениях энергетических параметров плазмы, что расширяет ее функциональные возможности. Кроме того, схема обладает еще одним замечательным свойством: при условии регулирования уровня давления в камере сгорания генераторов плазмы (например, за счет термостатирования заряда твердого топлива на соответствующую температуру) можно прогнозировать и получить в рабочей нагрузке необходимый уровень тока (электрической мощности) или необходимую длительность импульса тока, поскольку давление в камере сгорания ГП или соответствующий ему (пропорциональный давлению) расход продуктов сгорания (плазмы) являются аналогами как выходной электрической мощности, так и длительности импульса тока в нагрузке. Необходимость использования в схеме балластного стабилизирующего сопротивления (резистора), включенного в цепь возбуждения последовательно с обмоткой электромагнита, обусловлена, с одной стороны, необходимостью ограничения тока в электромагните на некотором номинальном или предельно допустимом уровнях, а с другой стороны, обеспечением работы МГД-генератора в режиме максимального отбора мощности, что также является отличительной особенностью схемы. При этом потери мощности на балластном сопротивлении относительно невелики.

Изобретение поясняется чертежом, на котором изображена упрощенная принципиальная электрическая схема устройства.

Самовозбуждающийся МГД-генератор содержит источник начального возбуждения (ИНВ) 1, цепь электромагнита 2, включающую первый МГД-канал 3 с источником рабочего тела (ИРТ) 4, один токовывод которого подключен к выводу 5 обмотки электромагнита 2, и цепь нагрузки 6, включающую второй МГД-канал 7 с ИРТ (ИРТ не показан), подключенный своими токовыводами к нагрузке 6. Третий МГД-канал 8 с ИРТ 9 подключен параллельно второму МГД-каналу 7 с образованием общих токовыводов 10 и 11 второго и третьего МГД-каналов, причем другой токовывод первого МГД-канала 3 подключен к первому общему токовыводу 10 второго и третьего МГД-каналов, а второй общий токовывод 11 последних подключен к выводу 12 обмотки электромагнита 2.

В цепь нагрузки 6 включены замыкатель 13 и размыкатель 14, а сама нагрузка 6 шунтирована цепью, состоящей из вентиля 15 и последовательно соединенного с ним резистора 16.

В цепь электромагнита 2 последовательно с обмоткой возбуждения включены замыкатель 17 и регулируемый (секционированный) резистор 18, шунтированный размыкателем 19.

Обмотка электромагнита 2 шунтирована вентилем 20 и последовательно соединенным с ним резистором 21.

Обмотка электромагнита 2 выполнена секционированной, причем по меньшей мере одна из секций обмотки шунтирована замыкателем 22.

В состав МГД-генератора входят твердотопливные генераторы плазмы (ИРТ), снабженные системой термостатирования зарядов топлива (не показано).

Самовозбуждающийся МГД-генератор работает следующим образом. Перед пуском генератора коммутирующие элементы находятся в положении, указанном на чертеже, т.е. замыкатели 13 и 17 разомкнуты, а размыкатели 14 и 19 замкнуты - этим обеспечивается отключение нагрузки 6 и резистора 18 от генератора на время самовозбуждения. До (в случае использования батареи аккумуляторов в качестве ИНВ, как это показано на чертеже) или после (в случае использования батареи конденсаторов в качестве ИНВ - не показано) воспламенения зарядов твердого топлива всех трех генераторов плазмы (ИРТ) и выхода их на номинальный режим работы (по уровню давления в камере сгорания ИРТ и по уровню электропроводности плазмы МГД-каналах 3, 7 и 8) на обмотку электромагнита 2 от источника начального возбуждения (ИНВ) 1 подается импульс напряжения, в результате чего обмотка электромагнита 2 запитывается током начального возбуждения, после чего ИНВ отключается (например, путем срабатывания замыкателя 17), и генератор переходит в режим самовозбуждения (т.е. увеличения тока в обмотке электромагнита 2) с полной отдачей генерируемой МГД-каналами 3, 7 и 8 мощности в обмотку электромагнита 2. При достижении током электромагнита 2 некоторого номинального значения (генератор выходит на режим номинальной генерируемой мощности при данном расходе рабочего тела) срабатывают замыкатель 13 и размыкатель 19, в результате чего рабочая нагрузка 6 непосредственно подключается к общим токовыводам параллельно соединенных МГД-каналов 7 и 8, а в цепь электромагнита 2 последовательно с обмоткой возбуждения включается резистор 18 (балластное стабилизирующее сопротивление). Далее происходит запитка нагрузки 6 импульсом тока в условиях стабилизации магнитного поля электромагнита 2 вблизи номинального уровня с максимальным отбором мощности от всех трех МГД-каналов 3, 7 и 8, работающих, как правило, в режиме максимального МГД-взаимодействия.

Величина резистора 18 выбирается до пуска генератора из условия стабилизации (или ограничения) тока в электромагните 2.

При отсутствии жестких требований к переднему фронту импульса тока в нагрузке 6 она может быть подключена к генератору заранее (т.е. замыкатель 13 замкнут еще до пуска генератора), поскольку предлагаемая конструкция СМГДГ обладает хорошим запасом мощности по самовозбуждению.

После завершения работы генератор плазмы-ИРТ (что соответствует началу быстрого спада давления в камере сгорания ГП) или примерно за 0,5 с до начала спада давления (что прогнозируется) срабатывает размыкатель 14, отключая нагрузку 6 от МГД-генератора, в результате чего цепь нагрузки замыкается вентилем 15 и последовательно соединенным с ним резистором 16, происходит формирование заднего фронта импульса тока в нагрузке.

При спаде давления в камере сгорания ИРТ до нуля внутреннее сопротивление МГД-каналов резко возрастает, и энергия, накопленная в обмотке электромагнита 2, рассеивается частично в МГД-каналах и, в основном, в самой обмотке при закорачивании ее на вентиль 20 и последовательно соединенный с ним резистор 21 (при прекращении генерации тока МГД-каналами в связи с завершением работы генераторов плазмы - ИРТ).

Вентили 15 и 20 образуют цепи для прохождения, соответственно, токов нагрузки и электромагнита при исчезновении проводимости плазмы в МГД-каналах 3, 7 и 8 в конце работы генератора (спад до нуля давления в ИРТ). Указанные вентили исключают перенапряжения на выводах МГД-каналов и электромагнита, а последовательное включение с вентилями и резисторов 16 и 21, соответственно, позволяет защитить все МГД-каналы от тока короткого замыкания в случае пробоя вентилей при работе на нагрузку, а также ускорить вывод магнитной энергии, накопленной соответственно в нагрузке 6 и электромагните 2.

Предложенное техническое решение устройства трехканального самовозбуждающегося МГД-генератора позволяет повысить надежность и энергетическую эффективность многоканального самовозбуждающегося МГД-генератора, запитывающего электрическим током в квазиста- ционарном режиме низкоомную активно-индуктивную рабочую нагрузку, а также обеспечить стабильный режим работы (работоспособность) МГД-генератора при пониженных значениях энергетического комплекса плазмы и (или) расхода плазмы (рабочего тела). Кроме того, схема устройства относительно проста и позволяет на основе существующей элементной базы (отработанных маломощных одноканальных СМГДГ) создавать мощные самовозбуждающиеся МГД-генераторы с гарантированными выходными характеристиками.

Использование: магнитогидродинамичекий способ получения электроэнергии в многоканальных (не менее трех МГД-каналах) импульсных самовозбуждающихся МГД-генераторах (СМГДГ) на продуктах сгорания специальных плазменных топлив, в частности, для запитки низкоомной активной нагрузки мощным импульсом постоянного тока. Например, для запитки геофизических диполей. Сущность изобретения: в самовозбуждающемся МГД-генераторе, содержащем источник начального возбуждения, цепь электромагнита, включающую первый МГД-канал с источником рабочего тела (ИРТ), первый токовывод которого подключен к одному из двух выводов обмотки электромагнита и цепь нагрузки, включающую МГД-канол с ИРТ, подключенный своими токовыводами к нагрузке, генератор снабжен третьим МГД-каналом с ИРТ, подключенным параллельно второму МГД-каналу и имеющим с ним токовыводы. Второй токовывод первого МГД-канала подключен к первому общему токовыводу второго и третьего МГД-каналов, а второй общий токовывод последних подключен к другому выводу обмотки электромагнита. 8 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. САМОВОЗБУЖДАЮЩИЙСЯ МГД-ГЕНЕРАТОР, содержащий источник начального возбуждения, цепь электромагнита, включающую первый МГД-канал с источником рабочего тела, первый токовывод которого подключен к одному из двух выводов обмотки электромагнита, и цепь нагрузки, включающую второй МГД-канал с источником рабочего тела, подключенный своими токовыводами к нагрузке, отличающийся тем, что он снабжен третьим МГД-каналом с источником рабочего тела, подключенным параллельно второму МГД-каналу и имеющим с ним общие токовыводы, причем второй токовывод первого МГД-канала подключен к первому общему токовыводу второго и третьего МГД-каналов, а второй общий токовывод последних подключен к второму выводу обмотки электромагнита. 2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что в цепь электромагнита включен замыкатель. 3. Генератор по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в цепь нагрузки включен замыкатель. 4. Генератор по пп.1-3, отличающийся тем, что в цепь нагрузки включен размыкатель, при этом нагрузка шунтирована цепью, состоящей из вентиля и последовательно соединенного с ним резистора. 5. Генератор по пп.1-4, отличающийся тем, что в цепь электромагнита последовательно с обмоткой возбуждения включен резистор, шунтированный размыкателем. 6. Генератор по пп. 1-5, отличающийся тем, что обмотка электромагнита шунтирована цепью, состоящей из вентиля и последовательно соединенного с ним резистора. 7. Генератор по пп. 1-6, отличающийся тем, что обмотка электромагнита выполнена секционированной, причем по меньшей мере одна из секций шунтирована замыкателем. 8. Генератор по по пп.1-7, отличающийся тем, что он содержит в качестве источника рабочего тела МГД-каналов твердотопливный генератор плазмы. 9. Генератор по п. 8, отличающийся тем, что твердотопливный генератор плазмы снабжен системой термостатирования заряда топлива.