МАГНИТОДИНАМИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 1998 года по МПК H02K44/08 

Изобретение относится к экспериментальной аэродинамике, в частности, к установкам, где электромагнитная энергия преобразуется в кинетическую энергию потока газа и наоборот, например, в гиперскоростных аэродинамических трубах с магнитогазодинамическим (МГД) ускорителем.

Условия работы канала МГД-ускорителя характеризуются высоким уровнем тепловых потоков с большими и резкими его изменениями на фоне протекания значительных электрических токов при больших градиентах электрического потенциала. Кроме того, стенки канала подвергаются воздействию сверхзвукового высокоскоростного потока воздуха с присадкой щелочного металла. Так, например, при типичном режиме работы ускорителя аэродинамической трубы с МГД-ускорителем потока воздуха (СМГДУ) тепловой поток в элементе конструкции канала изменяется за время t = 0,03-0,04 с от 0,5 до 20 МВт/м², средняя плотность тока составляет j_ср ~ 80 А/см², средняя напряженность электрического поля E ~ 200 В/см, а скорость потока достигает 6 - 7 км/с. Вместе с тем, на анодной стенке МГД-ускорителя существует прерывистый токовый слой, располагающийся над межэлектродными изоляторами. Каждый элемент этого слоя является жидким анодом, общим для группы пар электродов, расположенных вверх по потоку от него. В пределах собственно электрода ток концентрируется практически полностью на кромке, расположенной вниз по потоку. Все это осложняется относительно небольшими размерами канала МГД-ускорителя (поперечное сечение канала составляет порядка нескольких квадратных сантиметров). Существование такого слоя наряду с остальным своеобразием условий работы МГД-ускорителя приводит к заметной эрозии межэлектродных изоляторов на анодной стенке, в то время как на катодной стенке она обычно практически отсутствует. В результате ограничивается ресурс канала и ухудшается однородность газового потока, что недопустимо для аэродинамических труб. Следует заметить, что подобные явления при определенных условиях могут иметь место и на катодной стенке.

Известно МГД-устройство [1], представляющее собой МГД-ускоритель фарадеевского типа обычной конструкции, содержащее электромагнит, МГД-канал, образованный изоляционными и секционированными электродными стенками, и независимые гальванически разделенные источники питания, связанные каждый со своей парой электродов, расположенных на катодной и анодной стенках. Значительная часть каждого электрода со стороны огневой поверхности напылена слоем толщиной 0,5 мм окиси бериллия, обладающей высокой теплопроводностью. Выбранная протяженность изоляционного слоя и возможность интенсивного теплоотвода от него обеспечивают надежную изоляцию соседних электродов друг от друга.

Недостаток данного устройства состоит в том, что не обеспечивается устранение стационарного токового слоя, который, как следует из [2] и [3], может возникать по крайней мере на анодной стенке. В этом устройстве интенсивность такового слоя может только слегка ослабляться, причем нестабильно по времени. Из-за этого имеет место узкий диапазон рабочих характеристик устройства при ускорении газового потока, нестабильность рабочих параметров канала и искажается поле течения газового потока, что недопустимо для аэродинамических труб.

Задачей изобретения является расширение диапазона рабочих характеристик МГД-устройства, в частности МГД-ускорителей аэродинамических труб, и обеспечение однородности электрогазодинамических параметров в ядре потока.

Технический результат заключается в ликвидации стационарного прерывистого токового слоя на электродных стенках МГД-канала фарадеевского типа за счет принудительного дискретного перемещения опорных пятен разряда по огневой поверхности электродов с регулируемой в зависимости от параметров потока и удаленности от входа в МГД-канал частотой, обеспечивающей заданный по времени закон распределения токов по поверхности электродов, исключающий как концентрацию токов вблизи какой-либо кромки огневой поверхности электродов, так и перетекание на соседний электрод.

Технический результат достигается тем, что в магнитодинамическом устройстве, содержащем электромагнит, МГД-канал, образованный изоляционными и секционированными электродными стенками и независимые гальванически разделенные источники питания, связанные каждый со своей парой электродов, электроды разделены на сегменты, изолированные друг от друга изоляционными слоями, первый сегмент каждого электрода анодной стенки и последний - катодной стенки - соединены с источником питания напрямую, а остальные - каждый через свой коммутатор, выход которого подключен к соответствующему сегменту электрода, а входы коммутаторов объединены и соединены с соответствующим прерывателем данного электрода, причем управляющий вход коммутатора через соединенные последовательно блок гальванической развязки и делитель частоты подключен к общему генератору регулируемой частоты, управляющему работой коммутаторов. При этом сегменты и изоляционные слои электродов соединены так, что исключается контактное тепловое сопротивление, то есть между ними обеспечен идеальный тепловой контакт, например, за счет диффузионной сварки.

На фиг. 1 представлена общая схема МГД-устройства; на фиг. 2 - структурная схема МГД-устройства, а на фиг. 3 - фрагмент электродной стенки канала.

Устройство представляет собой электромагнит 1, МГД-канал 2, образованный изоляционными 3 и секционированными электродными стенками 4 (катодная и анодная) с сегментированными электродами 5 и межэлектродными изоляторами 6 и независимые гальванически разделенные источники питания 7.

Каждый электрод состоит из сегментов 8, электрически изолированных друг от друга изоляционным слоем 9. Первый сегмент каждого электрода анодной стенки и последней - катодной стенки - соединен с источником питания напрямую, а остальные через прерыватель 10. В цепи каждого сегмента, не соединенного с источником питания напрямую, установлен свой коммутатор 11. Входы коммутаторов 11 объединены и соединены с соответствующим прерывателем 10 данного электрода 5. Управляющий вход коммутатора 11 соединен через блок гальванической развязки 12, делитель частоты 13 с генератором 14 регулируемой частоты. Сегмент 8 и электроизоляционные слои 9 электродов 5 объединены в тепловом отношении, например, с помощью диффузионной сварки.

Устройство работает следующим образом. Перед подачей питания на электроды включается цепь питания генератора регулируемой частоты, который запускается и выдает через соответствующие делители частоты и устройства гальванической развязки в определенной циклической последовательности импульсы, управляющие работой коммутаторов, вызывая их открытие или запирание. Затем подается электропитание на электроды, в результате чего происходит пробой разрядного промежутка между катодной и анодной стенками в районе сегментов, подключенных к источникам напрямую. Далее, с задержкой по времени, замыкается прерыватель, с помощью которого электродные сегменты подключаются к источникам питания. Поочередно, в последовательности, определяемой генератором частоты, осуществляется коммутация цепей соответствующих сегментов, обеспечивая протекание тока через них. Выбор частоты коммутации для каждого из сегментов исключает как концентрацию токов вблизи какой-либо кромки огневой поверхности электродов, так и протекание на соседний электрод, что предотвращает образование токового слоя на электродных стенках.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет расширить диапазон рабочих характеристик устройства и обеспечить однородность потока при его ускорении, что весьма важно при использовании устройства в схеме аэродинамической трубы в качестве ускорителя.

Литература.

1. Tempelmeyer K. E., Windmuller A.K., Rittenhouse L.E. Development of steady-flow J x B accelerator for wind tunnel application.-ARS heater and MGD accelerators for aerodinamic purposes. Supplement to AGAR Dograph N 84, 1964, p. 54-126.

2. Labazkin A.P., Sherbakov G.I., Experimental Inverstigation of Current Sheet in MGD-accelerator Electrode Wall Region. - XI International Conference on Magnetohydrodynamic Electric Power Generation, China, 1992.

3. Sherbacov G.I. Investigation of Discharge Peculiarities in Electrode Wall Regions of MGD-Accelerator. 33rd SEAM (Symposium on Engineering Aspects of Magnetohydrodynamics. Tullahoma. USA. 1995.

МГД-устройство содержит МГД-канал, электромагнит и гальванически разделенные источники питания. Анодная и катодная стенки 4 канала включают электроды 5, разделенные на сегменты 8. Сегменты 8 изолированы друг от друга изоляционными слоями 9. Первый сегмент каждого электрода анодной стенки и последний сегмент каждого электрода катодной стенки соединены с источником питания напрямую, а остальные - через соответствующие коммутаторы 11. Входы коммутаторов каждого электрода объединены и соединены с соответствующим прерывателем 10. Управляющий вход коммутаторов 11 через блок гальванической развязки 12 и делитель частоты 13 подключен к общему генератору 14 регулируемой частоты. Сегменты электродов и электроизоляционные слои объединены в тепловом отношении. 1 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. Магнитодинамическое устройство, содержащее электромагнит, МГД-канал, образованный изоляционными и секционированными электродными стенками, и независимые гальванически разделенные источники питания, связанные каждый со своей парой электродов, расположенных на катодных и анодных стенках, отличающееся тем, что электроды разделены на сегменты, изолированные друг от друга изоляционными слоями, первый сегмент каждого электрода анодной стенки и последний - катодный стенки соединены с источником питания напрямую, а остальные - каждый через свой коммутатор, выход которого подключен к соответствующему сегменту электрода, а входы коммутаторов объединены и соединены с соответствующим прерывателем данного электрода, причем управляющий вход коммутатора через соединенные последовательно блок гальванической развязки и делитель частоты подключен к общему генератору регулируемой частоты, управляющему работой коммутаторов. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что сегменты и электроизоляционные слои электродов объединены в тепловом отношении.