КАНАЛ МГД-ГЕНЕРАТОРА Российский патент 1995 года по МПК H02K44/12 

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для магнитогидродинамического преобразования энергии, выделяемой при сгорании топлива, в частности, угольного.

Известны каналы МГД-генератора, в которых для контакта с плазмой использованы электроды из платины [1].

Известен канал МГД-генератора в форме расширяющейся к выходу трубы, включающий каркас и закрепленные на нем электродные секции, разделенные изолирующими керамическими перегородками, ориентированными поперек канала, а также электрические контакты, соединенные с внешней электрической цепью.

В предлагаемом техническом решении канал МГД-генератора ориентирован вертикально, перегородки электродных секций выполнены в виде вложенных друг в друга вогнутых пластин, зазоры между которыми заполнены жидким чугуном, обновляемым в процессе работы канала. Такое выполнение канала снижает расход дефицитных материалов при его сооружении и использовании, увеличивает его ресурс.

На фиг. 1 изображен канал МГД-генератора, общий вид в разрезе; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - разрез Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4, 5 - варианты элементов канала; на фиг. 6 - узел I на фиг. 1; на фиг. 7, 8 - фрагменты разреза В-В на фиг. 6; на фиг. 9 - узел II на фиг. 2.

Канал МГД-генератора имеет форму трубы 1, расширяющейся к выходу под углом 2 α . На охлаждаемом каркасе 2 канала закреплены электродные секции 3, 4, разделенные изолирующими керамическими перегородками 5, 6, ориентированными поперек канала.

Труба направлена расширением вверх так, что продольная ось 7 симметрии канала, проходящая через центры поперечных сечений трубы, отклонена от вертикали 8 на острый угол β. Перегородки выполнены в виде вогнутых пластин 9, 10, 11, 12, установленных горизонтально одна над другой вогнутостью 13 вверх с образованием колонн 14, 15, опирающихся краями 16, 17 пластин на плиты 18, 19 керамической облицовки 20 каркаса. Каждая пластина имеет центральную цокольную часть с выступом 21 по одну сторону пластины и с гнездом 22 под выступ смежной пластины - по другую сторону, имеет вид тарелки.

По периферии смежные пластины разделены кольцевым зазором 23, образующим проточное русло 24, которое заполнено жидким металлическим расплавом 25 с мениском 26. Подъем мениска ограничен сливным отверстием 27, 28, 29, выполненным в периферийной области каждой пластины. При этом в каждой паре смежных пластин, 9-10, сливное отверстие 27 верхней пластины 9 расположено над сплошным участком 30 смежной нижней пластины 10, а сливное отверстие 28 нижней пластины 10 расположено под сплошным участком 31 смежной верхней пластины 9. Остающиеся над мениском части зазоров, свободные от металлического расплава, могут быть в процессе работы канала заполнены шлаком, конденсирующимся из потока плазмы.

Обращенный в канал огневой участок 32 контура 33 пластины выполнен вогнутым в виде дуги окружности. Обращенный к каркасу тыльный участок 34 контура пластины выполнен выпуклым, входящим в вогнутое ложе 35 облицовки каркаса. Выступ пластины имеет полость 36, заполненную уплотнителем 37 из волокнистого керамического материала. Выступом образован барьер 38, направляющий циркуляцию металлического расплава в зазоре между пластинами. По периферии пластины выполнены точечные упоры 39, 40, поддерживающие этот зазор.

Канал снабжен профилированными полками 41 для установки колонн из пластин. Полка открыта слоем 42 уплотнителя для распределения нагрузки от колонны. На уровне полки в облицовке каркаса выполнено сливное отверстие 43. На концах 44, 45 пластин со стороны, противоположной отклонению оси 7 от вертикали, выполнены электрические контакты 46, 47, соединенные с внешней электрической цепью. Электрический контакт включает охлаждаемый металлический стержень 48, введенный в зазор между пластинами, и прилегающую к нему область 49 отвержденного расплава. Расположение конца 44 пластины за пределами огневого участка 32 и на пути охлажденного расплава делают достаточным воздушное охлаждение стержня 48.

Каркас включает металлическую оболочку 50 с проточными полостями 51 для охлаждающей жидкости. Эта оболочка является общей для электродных секций и электрически изолирована от них плитами 18, 19. Изолирующие стенки 52, 53 канала дополнены четырьмя съемными угловыми блоками 54, 55, 56, 57, обеспечивающими доступ к электрическим контактам и сливным отверстиям. Поле, создаваемое магнитной системой (не показана), направлено перпендикулярно изолирующим стенкам 52, 53 в их центральной части.

Пластины 58 могут быть выполнены с асимметрично расположенным выступом 59 и с удлиненной холодной частью 60, служащей для размещения контактной области 61, со сливным отверстием 62 на противоположном конце.

Пластины 63 могут быть выполнены кольцевыми с двумя выступами 64, 65, разделенными двумя промежутками 66, 67. В одном из промежутков расположено сливное отверстие 68, в другом - контактная область 69 (см. фиг. 5, стрелки указывают направление циркуляции расплава, как и на фиг. 2). Канал МГД-генератора с кольцевыми пластинами 63 функционируют как рамочный.

Каждая пластина может быть выполнена составной, в частности, из керамических секторов 70, 71, 72, 73, соединенных через уплотнительные волокнистые прослойки. Дно пластины, секционированной или цельной, может быть выстелено керамической тканью в один или несколько слоев для предотвращения утечки металлического расплава в случае поломки пластины при монтаже или во время работы канала. Керамическая ткань препятствует развитию трещины между частями пластины и создает возможность их повторного спекания в процессе работы. При необходимости замедлить циркуляцию металлического расплава волокнистый керамический материал может быть введен также и в зазоры 23. Между контактными стержнями 48 могут быть установлены изолирующие керамические прокладки 74.

В конструкции канала МГД-генератора использованы следующие материалы. Металлический расплав - жидкий чугун с любым начальным содержанием углерода, например, 5 мас.%. Контактный стержень 48 - из хромоникелевой стали либо карбида кремния. Оболочка 50 каркаса из меди, в случае водяного охлаждения, либо из хромоникелевой стали, допускающей отключение жидкостного охлаждения. Остальные детали канала выполнены из изолирующей керамики, например, на основе оксида магния при работе на газовом топливе, либо на основе оксида алюминия при работе на угольном топливе с кислым шлаком, содержащим более 20 мас.%. оксида алюминия.

Пластины могут быть изготовлены из оксида алюминия (корунд), сплава оксидов алюминия, циркония и кремния (бакор), сплава оксидов алюминия и циркония с огнеупорностью указанных материалов 1800^оС, а также из соединения оксидов циркония и кремния (циркон) с огнеупорностью 1600^оС. Из корунда и бакора пластина может быть отлита для снижения пористости и повышения стойкости к шлаку.

Ширина зазора 23 между пластинами 5 мм (1-10 мм), толщина пластины 9 над зазором 5 мм (3-20 мм), что эквивалентно шагу секционирования канала 10 мм (4-30 мм). Уменьшение ширины зазора способствует лучшему удержанию металлического расплава в пластинах за счет подключения к этому капиллярных сил, формующих мениск расплава.

Для заправки канала металлическим расплавом его заливают на верхнюю пластину колонны через отверстие в угловом блоке 54 (не показано). Возможна автоматизация заливки. Переливаясь через край сливного отверстия 27, расплав стекает вниз и последовательно заполняет все пластины колонны. Излишек расплава выходит из канала через сливное отверстие 43 в том же блоке. При работе канала металлический расплав на пластинах периодически обновляют, заливая новые порции расплава раз в несколько часов. На время заливки - порядка нескольких минут - МГД-генератор отключают от нагрузки.

При сжигании угольного топлива шлак из потока плазмы оседает на стенках канала и попадает в зазоры 23, где образует слой над поверхностью металлического расплава, защищая ее от возникновения дуг. Распылению этого слоя шлака потоком плазмы препятствуют заслоняющие его края пластин. Слой шлака непрерывно обновляется. Его потери через края пластин и через сливное отверстие 43 компенсируются поступлением из потока.

Электрический ток, генерируемый потоком плазмы в магнитном поле, проходит через плазму, слой шлака, металлический расплав в зазоре 23, область 49 отвержденного расплава, стержень 48. Через границы шлака с плазмой и металлическим расплавом ток проходит благодаря окислительно-восстановительным реакциям с участием анионов кислорода, катионов металлов, переносящих ток через шлак, а также катионов углерода, растворенного в железе.

Горизонтальная составляющая потока плазмы, обусловленная отклонением трубы от вертикали (на угол β), вызывает тангенциальное движение металлического расплава 25 и шлака вокруг барьера 38 (на огневом участке 32 это движение направлено в сторону отклонения трубы, см. фиг. 2). Благодаря вогнутости огневого участка 32 расплав описывает дугу. При этом на расплав действует центробежная сила, прижимающая его к барьеру и препятствующая выплескиванию в канал. Циркуляция расплава по периметру пластины усиливает теплоотвод от огневого участка 32, выравнивает температуру по ширине пластины, что увеличивает термостойкость пластины и канала в целом. Снижению температурных напряжений в пластине содействует также ее малая - относительно других размеров - толщина. Секционирование приэлектродного слоя плазмы краями пластин затрудняет образование дуг на металле при утончении либо отсутствии шлакового покрытия.

Наклон трубы при горизонтально расположенных пластинах обусловливает их поворот на угол β относительно поперечного сечения, перпендикулярного оси 7 (см. фиг. 3). При малом β = 1-5^о это различие в ориентации находится в пределах шага секции и не искажает существенно распределения тока в канале по сравнению со случаем β= 0. Для канала рамочного типа с кольцевыми пластинами (см. фиг. 5) угол β представляет собой угол наклона рамок.

Вогнутости огневых участков пластин каждой колонны 14, 15 образуют наклонное русло под углом α к вертикали за счет расширения трубы кверху. При сбросе металлического расплава через край верхней пластины он стекает по этому руслу, попадая в зазоры между пластинами колонны. Это дает дополнительную возможность заправки канала. Стекание расплава тормозится потоком плазмы, скорость которого на время заправки снижают. При этом для ограничения уровня металлического расплава в пластине отверстия 27, 28 могут быть заменены аналогичными, расположенными на огневом участке пластин.

В потоке плазмы края пластины постепенно изнашиваются и приближаются к мениску металлического расплава. Расстояния от края пластины до мениска и до барьера 38 могут быть выбраны с достаточным запасом, что служит резервом увеличения ресурса.

Заполнение зазоров между изолирующими пластинами металлическим расплавом вместо твердого проводника позволяет повысить температуру пограничного слоя плазмы, упрощает конструкцию и монтаж канала. Отсутствие внутренних напряжений в слое жидкого металла при его нагреве благоприятно для соприкасающихся с ним керамических деталей. Стойкость этого слоя к разрушению даже при случайном возникновении дуг и возможность многократного обновления являются дополнительными факторами, увеличивающими срок службы канала. Использование доступного материала, например, чугунного лома, расплавляемого отработанными газами, снижает стоимость эксплуатации канала, дает возможность включить канал в цикл металлургического производства. Кроме того, канал работоспособен при использовании ядерного топлива и в условиях невесомости, благодаря удержанию расплава центробежной силой.

Сущность изобретения: канал МГД-генератора в форме расширяющейся к выходу трубы содержит каркас 2, закрепленные на нем электродные секции 3,4 и электрические контакты, электродные секции изолированы керамическими перегородками в виде вогнутых пластин 5,6, которые установлены горизонтально одна над другой с упором на выступы, выполненные в центральной нижней части пластины. По периферии в зазоре между пластинами образовано проточное русло, которое заполнено жидким расплавом, например, раствором углерода в жидком железе. В периферийных областях керамических пластин выполнены сливные отверстия. Продольная ось канала отклонена от вертикали. 5 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. КАНАЛ МГД-ГЕНЕРАТОРА в форме расширяющейся к выходу трубы, включающий каркас и закрепленные на нем электродные секции, разделенные изолирующими керамическими перегородками, ориентированными поперек канала, а также электрические контакты, соединенные с внешней электрической цепью, отличающийся тем, что труба направлена расширением вверх, перегородки электродных секций выполнены в виде вогнутых пластин, с выступами в центральной части нижней стороны пластины, при этом пластины установлены горизонтально одна над другой с образованием зазора по периферийной области пластины, который заполнен жидким расплавом, причем края пластин закреплены на керамической облицовке каркаса. 2. Канал по п.1, отличающийся тем, что на участке, обращенном в канал, контур пластины выполнен вогнутым, а на участке, обращенном к каркасу, - выпуклым, причем пластина размещена в вогнутом ложе облицовки каркаса. 3. Канал по п. 1, отличающийся тем, что в периферийной области каждой пластины над сплошным участком смежной пластины выполнено сливное отверстие. 4. Канал по п.1, отличающийся тем, что его продольная ось симметрии отклонена от вертикали. 5. Канал по п.1, отличающийся тем, что в качестве металлического расплава использован раствор углерода в жидком железе. 6. Канал по п.5, отличающийся тем, что в качестве раствора углерода в жидком железе использован жидкий чугун.