КАНАЛ ЛИНЕЙНОГО МАГНИТОГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО ГЕНЕРАТОРА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1998 года по МПК H02K44/08 

Изобретение относится к области магнитогидродинамического преобразования энергии применительно как к энергетическим магнитогидродинамическим (МГД) генераторам, так и к МГД-генераторам импульсным, используемым для автономной работы в целях геофизики или в других специальных целях.

Известен линейный МГД-генератор, канал которого образован двумя электродными и двумя изоляционными стенками. Внутренняя поверхность электродных и изоляционных стенок образует проточную часть МГД-канала, по которому движется поток электропроводной плазмы [1]. Профилировка проточной части МГД-канала (т. е. степень раскрытия электродных и изоляционных стенок по длине канала) определяется в зависимости от заданного режима течения (режим постоянной скорости, заданного распределения скорости, режим постоянной температуры или давления и др.) Стенки МГД-канала подвержены воздействию высокотемпературного, высокоскоростного потока плазмы, который может содержать частицы золы. Электродные стенки подвержены также эрозии за счет протекания на них электрического тока, а также за счет электрохимических процессов, протекающих на поверхности и в объеме электродов. Вышеперечисленные факторы ограничивают ресурс работы традиционных МГД-каналов, который определяется параметрами потока плазмы, материалом стенок, интенсивностью токовой эрозии и электрохимической коррозии и др. [2].

Наиболее близким к заявляемому является канал линейного МГД-генератора [3] , образованный изоляционными и электродными стенками, по крайней мере одна пара из которых (электродные или изоляционные стенки) выполнена в виде полых тел вращения с возможностью вращения вокруг своей оси, причем участки внешней поверхности тела вращения образуют огневую поверхность канала. Тела вращения выполнены в виде двух цилиндров с плоскими торцевыми дисками, образуя форму катушки с осями вращения, параллельными вектору магнитного поля.

В данной конструкции плоские торцевые диски катушек образуют изоляционные стенки МГД-канала, а цилиндрические поверхности катушек служат электродными стенками. Катушки выполнены такой геометрии и располагаются на таком расстоянии, что их торцевые плоские диски своими краями, служащими изоляционными стенками, перекрывают друг друга, таким образом, образуется профилированный МГД-канал с двумя плоскими, параллельными друг другу изоляционными стенками и двумя электродными - цилиндрическими - стенками.

Основные механизмы разрушения огневых стенок каналов МГД-генераторов - химическая и электрохимическая коррозия материалов, их унос под действием высокотемпературного и высокоскоростного потока газа и содержащихся в нем твердых и жидких частиц, воздействие дуговых образований на поверхности, в первую очередь электродных стенок, и другие действуют постоянно в течение всего времени пребывания каждой точки их поверхностей в контакте с плазменным потоком, и вызываемая ими эрозия пропорциональна времени контакта. Поэтому, если время контакта составляет в случае вращающихся стенок только малую часть периода вращения, а остальное время (вне активной зоны канала) поверхность не подвергается разрушению, то при одинаковых условиях работы такие вращающиеся стенки во столько же раз (5 - 10) могут иметь больший ресурс работы.

Основным недостатком указанной конструкции МГД-канала с вращающимися стенками является их громоздкость (большие размеры), а также их конфигурация, не позволяющие реальное выполнение магнитных систем в первую очередь сверхпроводящих магнитных систем (СПМС), обеспечивающих в рабочей (активной) зоне МГД-канала индукцию магнитного поля, требуемую для эффективной работы МГД-генератора. Например, если длина каналов энергетических МГДГ составляет не менее 8 - 10 м, радиус указанных дисков катушек также должен быть не менее 10 м. При этом практически невозможно расположение двух обмоток с двух сторон от указанных катушек с их взаимным креплением для сдерживания весьма больших сил их взаимодействия. Особенно эта задача становится трудной в случае СПМС, которые являются единственными магнитными системами, способными обеспечить требуемые индукции (4,0 - 6,0 Тл ) магнитного поля внутри МГД-канала.

Вторым серьезным недостатком предлагаемой в [3] конструкции линейного МГД-канала с вращающимися стенками является то, что геометрия канала, заданная такой конструкцией, существенно отличается от оптимальной. Во-первых, оптимальная геометрия предполагает переменный угол раскрытия канала по длине, продиктованный срабатыванием давления потока плазмы и заданным изменением скорости (или ее постоянством). В конструкции МГД-канала по предложению [3] изменяется лишь расстояние между электродными стенками, причем эти стенки, как вращающиеся, являются строго цилиндрическими, что существенно отличается от оптимальной профилировки МГД-канала и может заметно отразиться на снижении внутреннего КПД МГД-генератора.

Во-вторых, указанное снижение внутреннего КПД усиливается неоптимальным соотношением сторон в сечениях МГД-канала. С точки зрения минимальных потерь на трение и потерь тепла на стенки канала протяженность электродных и изоляционных стенок должна быть приблизительно одинаковой. Однако для этого необходима геометрия МГД-канала, при которой имеется раскрытие как по электродным, так и по изоляционным стенкам, но они в предлагаемой конструкции должны быть строго параллельными, что фиксирует высоту канала по направлению магнитного поля.

К серьезному недостатку предлагаемой в [3] геометрии следует отнести также значительные центробежные силы, развиваемые в элементах конструкции вращающихся стенок - при скорости вращения ~ 1 об/с и радиусе ~ 10 м центробежные ускорения составляют ~ 30g, что предъявляет высокие требования к материалам и конструкции стенок, а также затрудняет образование на их огневой поверхности защитных гарнисажных пленок расплавов шлаков и других.

Изобретение решает задачу создания компактного линейного канала МГД-генератора с вращающимися стенками с заданным профилем.

Оба варианта изобретения относятся к одному техническому решению - каналу МГД-генератора и основаны на одном принципе - выполнении стенок в виде тел вращения.

Сущность изобретения по первому варианту заключается в том, что в канале линейного МГДГ, образованном изоляционными и электродными стенками, по крайней мере одна пара стенок выполнена в виде полых тел вращения с возможностью вращения вокруг своей оси, причем участки внешней поверхности тела вращения образуют огневую поверхность канала, тела вращения имеют конусообразную внешнюю поверхность с образующей, повторяющей заданный профиль канала, и осями вращения, находящимися в плоскости симметрии канала и образующимися с продольной осью канала острый угол, а относительная протяженность поверхности вращающихся стенок внутри канала по линии вращения составляет 10 - 30% от общей длины окружности вращения в данном сечении канала.

Сущность изобретения по второму варианту заключается в том, что в канале линейного МГДГ, образованном изоляционными и электродными стенками, причем один тип стенок выполнен в виде полого тела вращения с возможностью вращения вокруг своей оси, ось вращения стенок, выполненных в виде тела вращения, совпадает с продольной осью симметрии канала и внутренняя поверхность тела вращения является огневой поверхностью, а две другие стенки канала выполнены неподвижными и помещены внутри тела вращения, напротив друг друга, причем поверхности, обращенные друг к другу, являются огневыми, при этом стенка в виде тала вращения имеет конусообразную форму, внутренняя поверхность которой выполнена в соответствии с заданным профилем канала, а неподвижные стенки также выполнены с переменным углом раскрытия по длине канала, образуя вместе со стенкой в виде тела вращения заданный профиль канала, протяженность поверхности вращающихся стенок внутри канала по линии вращения составляет 10 - 30% от общей длины окружности вращения в данном сечении канала.

Кроме того, в обоих указанных выше вариантах выполнения линейного МГД-канала с вращающимися стенками угол раскрытия образующего их конуса и положение осей вращения, а также расстояние между неподвижными стенками и их угол раскрытия таковы, чтобы обеспечить оптимальную геометрию МГД-канала, при которой его эффективность максимальна.

Использование предложенной конструкции позволит:
1. Уменьшить на порядок поперечные размеры канала по сравнению с [3]. Действительно, диаметр конусов в различных сечениях канала в 1,5 - 2,5 раза больше его поперечных размеров, составляющих для мощных ( ~ 300 - 500 МВт) энергетических МГД-генераторов порядка 1 - 2 м, в то время как указанные в [3] диски должны быть по диаметру не менее чем в 2,5 - 3 раза больше, чем активная длина МГД-канала, составляющая 10 - 15 м. Как следствие значительно меньших, чем в геометрии, предложенной в [3] поперечных размеров, необходимый теплый объем в типовых СПМС для таких МГД-генераторов увеличивается гораздо меньше по сравнению с ординарным МГД-каналом (с обычными неподвижными стенками). К тому же, не возникает практически непреодолимых проблем с креплением между собой обмоток магнитной системы, расположенных по обе стороны активного объема канала, как это имеет место в случае вращающихся стенок в виде дисков по геометрии, указанной в [3].

2. Создать канал МГД-генератора с заданным профилем. В случае вращающихся стенок в форме конусов вращения, профилированных, как и расстояние между двумя другими, неподвижными стенками, МГД-канал может быть выполнен с профилем в соответствии с оптимальной с точки зрения МГД-газодинамики геометрии канала. Если же рассматривать геометрию МГД-канала, предложенную в [3], то, как указывалось, это может быть только канал с постоянной высотой (расстоянием между изоляционными стенками), а две другие, вращающиеся стенки могут быть выполнены лишь цилиндрическими, такая геометрия канала существенно отличается от оптимальной.

3. Уменьшить на порядок центробежные ускорения (по сравнению с дисковой геометрией [3] ), действующие на элементы вращающихся стенок при одинаковой частоте их вращения, так как центробежное ускорение пропорционально радиусу их вращения. Если в случае стенок дисковой геометрии центробежные ускорения при частоте вращения 1 об/с составляют a ~ 30g, то для предлагаемых конусообразных стенок a ~ 2g, что значительно снижает опасность их разрушения.

4. Указанный выше второй вариант конструкции линейного МГД-канала с вращающимися стенками позволяет также практически полностью подавить электрохимические процессы в объеме электродных стенок и на их границе с плазмой, вызванные протеканием постоянного тока через токонесущие элементы этих стенок и приводящие к их разрушению в обычных МГД-генераторах открытого цикла, особенно на анодных стенках, вследствие протекания электрохимической коррозии металлов и деградации керамических материалов. Это позволяет по крайней мере в несколько раз дополнительно повысить ресурс электродных стенок.

Устройство линейного МГД-канала с вращающимися стенками поясняется фигурами, на которых изображены два изложенных выше варианта его конструкции. На фиг. 1 и 2 показаны соответственно продольный и поперечный разрезы конструкции МГД-канала с двумя вращающимися электродными стенками. На фиг. 3 и 4 показаны соответственно продольный и поперечный разрезы МГД-канала по изложенному выше второму варианту с вращающимися электродными стенками.

Канал линейного МГД-генератора по первому варианту образован изоляционными 1 и электродными 2 стенками, по крайней мере одна пара из которых выполнена в виде тел вращения с возможностью вращения вокруг своей оси. Изоляционные 3 и электродные модули 4 расположены на внешней поверхности тел вращения и образуют огневую поверхность канала. Тела вращения имеют конусообразную внешнюю поверхность с образующей, повторяющей заданный профиль канала с переменным углом раскрытия и с осями вращения, находящимися в плоскости симметрии канала и образующими с продольной осью канала острый угол.

Канал МГД-генератора по второму варианту образован изоляционными 1 и электродными стенками 2, причем один тип стенок, например электродные стенки 2, выполнен в виде полого тела вращения с возможностью вращения вокруг своей оси, при этом ось вращения совпадает с продольной осью симметрии канала.

На внутренней огневой поверхности тела вращения электродной стенки 2 размещены электродные модули 4. Две другие стенки 1 канала - изоляционные - выполнены неподвижными, помещены внутри тела вращения (электродных стенок 1) напротив друг друга, причем их поверхности, обращенные друг к другу, являются огневыми. Стенка 2 в виде тела вращения имеет конусообразную форму, внутренняя поверхность которой выполнена с переменным углом раскрытия в соответствии с заданным профилем канала, а неподвижные стенки 1 также выполнены с переменным углом раскрытия по длине канала, образуя вместе со стенкой в виде тела вращения заданный профиль канала.

И в первом и во втором варианте относительная протяженность поверхности вращающихся стенок внутри канала по линии вращении составляет 10 - 30% от общей длины окружности вращения в данном сечении канала.

В случае сравнительно малых индуцируемых холловских напряжений электродные и изоляционные модули могут иметь большую протяженность вдоль по длине канала.

В первом варианте электроды 4 могут быть выполнены кольцевыми (фиг. 2), во втором - они секционируются по окружности в каждом сечении канала и отделяются электроизолирующими вставками 5 (фиг. 3 и фиг. 4).

Представленные на фиг. (1 - 2) и (3 - 4) две геометрии МГД-каналов являются двумя наиболее характерными примерами выполнения МГД-каналов с вращающимися стенками, выполненными в виде профилированных конусов с осями, расположенными под малым углом к оси канала или с возможностью вращения одного конуса вокруг этой оси. При этом имеется в виду , что ресурс МГД-канала в первую очередь ограничен сроком работы именно электродных стенок. Действительно, эти стенки подвержены не только тепловому и эрозионному воздействию высокотемпературного и высокоскоростного потока химически активной плазмы (как и изоляционные стенки) - как правило, электродные стенки имеют значительно большие разрушения (на порядок и более), чем изоляционные стенки из-за протекания токов на их поверхности и связанных с этим процессов электрофизического характера (такими как: контрагированные разряды в приэлектродной области и межэлектродные пробои), а также электрохимических процессов. Существенно более высокая стойкость наиболее отработанных вариантов изоляционных стенок по сравнению с электродными была неоднократно подтверждена в длительных (до 1000 ч и более) ресурсных испытаниях МГД-каналов открытого цикла ("Марк"-6 и CDIF в США, У-02 в СССР и др.).

С учетом указанной повышенной эрозии и разрушений электродных стенок 2 именно они в вариантах, иллюстрируемых фиг. 1 и 2 и фиг. 3 и 4, выполнены вращающимися. Однако в ряде случае в силу особых условий работы изоляционных стенок 1, например при специальных применениях МГД-генераторов, эти стенки ограничивают ресурс МГД-канала в такой же мере, как электродные, или даже в еще большей степени. Такая ситуация имеет место, например, в импульсных МГД-генераторах или МГДГ кратковременного действия, когда стенки охлаждаются в основном за счет их теплоемкости, а температуропроводность элементов изоляционных стенок недостаточна, и их поверхность значительно нагревается и подвержена большому уносу.

В таком случае могут быть применены следующие три видоизмененные по сравнению с представленными на фиг. 1 и 2 и фиг. 3 и 4 компоновки и конструкции МГД-канала с вращающимися конусообразными стенками.

1) В случае, когда необходимо увеличить ресурс одновременно и электродных 2 и изоляционных 1 стенок, в развитие конструктивной схемы МГД-канала с вращающимися стенками, иллюстрируемой на фиг. 1 и 2, МГД-канал образуется двумя вращающимися электродными 2 стенками, изображенными на фиг. 1 и 2, и двумя вращающимися изоляционными 1 стенками, также выполненными в виде профилированных конусообразных тел вращения, оси которых находятся в плоскости симметрии МГД-канала, параллельной вектору магнитного поля.

2) В случае, когда ресурс МГД-канала ограничен стойкостью только изоляционных стенок, возможно выполнение в виде вращающихся профилированных конусов по предыдущему варианту 1 только изоляционных стенок 1, а электродные 2 стенки выполнены неподвижными (обычным образом).

3) Аналогично предыдущему, но по конструктивной схеме, близкой к изображенной на фиг. 3 и 4, можно выполнить в виде одного профилированного конуса, вращающегося вокруг продольной оси МГД-канала изоляционные 1 стенки, а электродные 2 стенки выполнить неподвижными и расположенными внутри этого полого конуса. Данный вариант предпочтителен по сравнению с предыдущим, если имеются жесткие рамки на ограничение весогабаритных параметров магнитной системы, которые при этом изменяются незначительно, однако, большие возможности эффективного дополнительного охлаждения вращающихся стенок имеются по 2). Следует отметить, что аналогично по возможностям охлаждения стенок и габаритам соотносятся и варианты, представленные на фиг. 1 и 2 и фиг. 3 и 4.

Работа МГД-генератора осуществляется следующим образом. Перед подачей плазмы в МГД-канал обеспечивается вращение электродных 2 или изоляционных 1 стенок по обоим вариантам, представленным на фиг. 1 и 2 и фиг. 3 и 4, от специального привода. Скорость вращения стенок выбирается из условия обеспечения выбранной температуры стенок. Вращение осуществляется непрерывно в течении всего времени работы МГД-канала. После начала вращения стенок в канал МГД-генератора поступает рабочее тело - поток плазмы с температурой торможения ~ 3000 К и скоростью около 1000 м/с. Для обеспечения температуры стенки на уровне 1900 - 2000 K необходимо поддерживать скорость вращения v ≅ 1 с^-1 (1,0 до 10 об/с). В канале МГД-генератора индуцируется электрическое поле, ток протекает на электроды 4 вращающейся стенки и отводится во внешнюю электрическую цепь с помощью специальных неподвижных щеточных контактов, установленных напротив каждого электрода.

Конкретное выполнение конструкции вращающихся огневых стенок зависит от условий, в которых они работают, в первую очередь от параметров потока плазмы, тепловой нагрузки (тепловых потоков от плазмы, требуемых температур на огневой поверхности) и электрической нагрузки - токов и межэлектродных (межмодульных) напряжений, диктующих секционирование стенок в продольном направлении. При этом, как показывает рассмотрение теплоотдачи, основных пристеночных процессов - приэлектродных и других - вращение стенок в пределах рекомендуемых здесь скоростей до 10 об/с мало влияет на всю работу стенок. Таким образом, параметры работы как электродных, так и изоляционных стенок (рабочая температура поверхности T_w, предельные напряжения на межэлементных промежутках и т. д.) могут быть приняты такими же, как для неподвижных стенок МГД-генератора. Средний тепловой режим элементов стенок во всем объеме керамических элементов (кроме узких слоев вблизи огневой поверхности) в простейшем случае можно рассчитывать исходя из того, что средний тепловой поток q_ср от плазмы равен действительному q₀ во время контакта с плазмой, деленному на отношение K, равное
K = l/πD,
где
l - протяженность поверхности вращающихся стенок внутри МГД-канала;
πD - длина окружности их вращения в данном сечении канала (D - диаметр окружности).

Достаточную точность таких оценок подтверждают численные расчеты нестационарных циклических тепловых и электрофизических характеристик электродов и элементов изоляционных стенок, проведенные с учетом основных определяющих факторов (неизотермичность поверхности, двумерность полей температур и др.). Расчеты показали, что оценка q_ср как q_ср= Kq₀ правильна при скоростях вращения v > 1 об/с и в отсутствии теплообмена на огневых поверхностях вне пределов МГД-канала, т.е. когда нет контакта с плазменным потоком. Если же за пределами активной зоны канала дополнительно имеется достаточное охлаждение огневой поверхности (например, радиационное, которое весьма интенсивно при реальных T_w > 1800 - 2000 K), то эффект снижения q_ср по сравнению с q₀ увеличивается еще в несколько раз и должен быть учтен дополнительно.

Указанная величина K, определяющая конкретный выбор геометрии стенок, выбирается в пределах от 10 до 30%. При этом учитываются допустимые внешние габариты канала, во многом определяющие конструкцию и стоимость магнитной системы, с одной стороны, и необходимое снижение средних тепловых потоков и требуемый ресурс вращающихся стенок - с другой. В частности, повышение K больше 30%, особенно в конструктивной схеме фиг. 3 и 4, может давать слишком малое снижение тепловых потоков и увеличение ресурса (всего в несколько раз), что может не оправдывать увеличения стоимости конструкции всего МГД-канала, по крайней мере, для энергетических МГД-генераторов. Понижение же K ниже 10% приводит к слишком большому снижению тепловых потоков и неоправданному захолаживанию стенок даже при МГДГ с достаточно форсированными параметрами. К тому же, дальнейшее снижение величины K связано или с большим радиусом вращающихся стенок или уменьшением их протяженности внутри канала, т. е. отклонением от оптимального соотношения сторон и связанными с этим повышенными пристеночными потерями тепла и на трение.

Источники информации:
1. Р. Роза, Магнитогидродинамическое преобразование энергии. - М.: Мир, 1970.

2. V. M. Batenin, V. I. Zalkind. Materials for MHD Generators in: MHD Electrical Power Generation: The 1995 Status Report International Meeting on MHD Technologies, Genoya, Italy, 13 - 14 Dec. 1994, p. 6.1 - 6.5.

3. N. Sclufer, U.S. Patent N. 4,716,324 cl. 310 - 11 of Dec. 29, 1987и

В линейном МГД-канале электродные (2) или изоляционные (1) стенки, или и те и другие выполнены в виде полых тел вращения конусообразной формы с переменным углом раскрытия. Вращение полых тел производится вокруг их продольных осей, расположенных в плоскостях симметрии МГД-канала, или в плоскости, перпендикулярной вектору магнитного поля для электродных стенок, или плоскости, параллельной этому вектору - для изоляционных стенок. Внешние поверхности конусообразных тел вращения являются огневыми поверхностями. В другом варианте вращающиеся стенки образованы внутренней поверхностью одного полого конусообразного тела вращения с переменным углом раскрытия. Поверхность тела вращения образует электродные или изоляционные стенки. Ось вращения совпадает с продольной осью МГД-канала. Две другие стенки канала неподвижные, расположены внутри полого тела вращения. Протяженность поверхности вращающихся стенок внутри МГД-канала по направлению вращения составляет 10-30 % от общей длины окружности вращения в данном сечении канала. Предложенная конструкция позволяет уменьшить поперечные размеры канала, уменьшить центробежные ускорения и полностью подавить электрохимические процессы в объеме электродных стенок и на их границе с плазмой. 2 с.п.ф-лы, 4 ил.

1. Канал линейного магнитогидродинамического генератора, образованный изоляционными и электродными стенками, по крайней мере одна пара из которых выполнена в виде полых тел вращения с возможностью вращения вокруг своей оси, причем участки внешней поверхности тела вращения образуют огневую поверхность канала, отличающийся тем, что тела вращения имеют конусообразную внешнюю поверхность с образующей, повторяющей заданный профиль канала, и осями вращения, находящимися в плоскости симметрии канала и образующими с продольной осью канала острый угол, а относительная протяженность поверхности вращающихся стенок внутри канала по линии вращения составляет 10-30% от общей длины окружности вращения в данном сечении канала. 2. Канал линейного магнитогидродинамического генератора, образованный изоляционными и электродными стенками, причем один тип стенок выполнен в виде полого тела вращения с возможностью вращения вокруг своей оси, отличающийся тем, что ось вращения стенок, выполненных в виде тела вращения, совпадает с продольной осью симметрии канала, и внутренняя поверхность тела вращения является огневой поверхностью, а две другие стенки канала выполнены неподвижными и помещены внутри тела вращения напротив друг друга, причем поверхности, обращенные друг к другу, являются огневыми, при этом стенка в виде тела вращения имеет конусообразную форму, внутренняя поверхность которой выполнена в соответствии с заданным профилем канала, а неподвижные стенки также выполнены с переменным углом раскрытия по длине канала, образуя вместе со стенкой в виде тела вращения заданный профиль канала, относительная протяженность поверхности вращающихся стенок внутри канала по линии вращения составляет 10-30% от общей длины окружности вращения в данном сечении канала.