МАГНИТОГАЗОДИНАМИЧЕСКИЙ КАНАЛ Российский патент 2010 года по МПК H02K44/08 

Устройство относится к технической физике, в частности к технологии организации взаимодействия течений высокотемпературного газа и плазмы с электрическим током, к технологии эксплуатации магнитогазодинамических каналов, как МГД-генераторов, так и МГД-ускорителей, и может быть использовано в электротехнической и авиационно-космической промышленности, а также и в других областях техники.

Одним из основных недостатков, присущих МГД-устройствам и затрудняющих их использование в технических целях, является разрушение в процессе их работы электродов и особенно межэлектродных изоляторов.

Основным физическим механизмом, обуславливающим это разрушение, является возникновение на электродах микродуговых разрядов, являющихся своеобразными токовыми мостами через относительно холодный пограничный слой между электродами и хорошо проводящим ток высокотемпературным ядром потока. Микродуги сносятся потоком к задним кромкам электродов и существуют там в продолжении длительного времени, разрушая как сам электрод, так и особенно прилегающую к электроду область межэлектродного изолятора.

Известен способ организации разряда в каналах МГД-устройств, заключающийся в том, что электроды либо подают высокое напряжение в случае использования МГД-канала в ускорительном варианте, либо на электродах возникает индуцированное напряжение при использовании их в качестве МГД-генераторов здесь u - скорость потока, В - индукция, l - расстояние между противоположно расположенными электродами. При течении высокотемпературного газа у стенок (как на изоляционной, так и на электродной стенке) образуется относительно холодный пограничный слой с температурой у стенки, равной температуре стенки T_w. Поскольку температура стенок T_w и прилегающего слоя газа значительно ниже температуры ядра потока T_ст, т.е. T_ст>T_w, то соответственно и электропроводность газа в нем также будет значительно ниже. При достижении разности потенциалов между хорошо проводящим ток ядром потока и поверхностью электрода, достаточной для электрического пробоя холодного участка пограничного слоя, происходит его искровой пробой с образованием электрической дуги между электродом и хорошо проводящим электрический ток ядром потока.

Вследствие малых размеров (порядка величины пограничного слоя) такой электрический разряд получил название микродуги.

На микродугу воздействуют две силы: газодинамические, смещающие ее вниз по потоку и электродинамические, направление которых зависит от соотношения вектора полярности электрода и вектора магнитной индукции. Так, например, в режиме МГД-генератора на катоде микродуги смещаются под действием электродинамических сил к нижнему концу по потоку электрода, а у анода к - верхнему. В режиме МГД-ускорителя наоборот микродуги смещаются у анода к нижнему концу, а у катода - к верхнему его концу по потоку. В первом и втором случае соответственно у катода и у анода действие газодинамических и электродинамических сил направлено в одну сторону. Микродуга останавливается на стыке (кромке) электрод-изолятор и разрушает последний. Обычно ток в микродуге составляет величину 5-10 А. Если ток через электроды больше указанной величины, то на электродах возникает соответствующее току большее число микродуг разряда. Подробное описание процесса возникновения микродугового разряда в МГД-канале приведено в работе В.И.Кавбасюка, Н.М.Баранова, А.Д.Исэрова и др. «Возникновение микродуг и электрические флюктуации в МГД-канале» ТВТ, 1977, вып.6, стр.1294.

Известны различные способы и варианты конструкций для предотвращения разрушения МГД-канала микродугами. Так, в заявке на патент RU 97117707, МПК⁶ Н02К 44/08, 1997 г. предложено выполнить канал линейного магнитогидродинамического генератора с электродными стенками в виде полых тел вращения, причем внешние их поверхности являются огневыми, оси вращения расположены в плоскости симметрии канала, а сами электроды приводят во вращение вокруг указанной оси.

Недостатком такого устройства является необходимость механизма, которым надо приводить в движение электродные стенки, наличие зазоров между стенками, что приводит к их засорению присадкой щелочных элементов, а также продуктами эрозии электродов.

Другим решением, направленным на увеличение срока службы электродов, является прерывание тока между электродами при образовании микродуг (см. авторское свидетельство SU 1414278A, МПК Н02К 44/08, 1984 г.).

Прерывание тока при возникновении микродуги приводит к прерыванию силового воздействия на поток силы Лоренца, что в случае МГД-генератора приведет к возникновению его пульсационного нестационарного режима, значительно ухудшающего его характеристики, а в случае использования МГД-канала для ускорения потока газа просто неприемлемо.

В патенте RU 2111601, МПК Н02К 44/08, 1996 г.«МГД-устройство» каждый электрод разбит на сегменты, при этом один из сегментов анода соединен с источником питания напрямую, а остальные через прерыватель, причем первый сегмент анода по потоку и последний сегмент по потоку катода соединены непосредственно с нагрузкой или источниками питания, входы остальных сегментов электродов - через коммутатор с прерывателем частоты. Последний должен быть подключен к генератору регулируемой частоты, управляющему работой коммутатора.

Этому изобретению присущи те же недостатки, как и выше приведенному. Наличие коммутаторов, соединенных с управляющим генератором регулируемой частоты, также приведет к появлению пульсационного режима, затрудняющего работу и съем электрической энергии с электродов при использовании МГД-канала в режиме генератора и неприемлемо при использовании его в режиме МГД-ускорителя, особенно при применении его в качестве элемента гиперзвуковой аэродинамической трубы.

В авторском свидетельстве SU 1376898, МПК Н02К 44/10, 1985 г. предложена конструкция комбинированного электрода МГД-генератора в виде охлаждаемого металлического каркаса с ребрами, выполненными из теплопроводного изоляционного материала, причем так, что ребра образуют ячейку, в которой расположен токопроводящий изоляционный материал. В каркасе электрода выполнены каналы водяного охлаждения. В данном изобретении поставлена задача путем повышения температуры поверхности электрода уменьшить интенсивность его эрозии за счет снижения величины тока микродуги.

Однако повышение температуры поверхности электрода и использование высокопроводящего керамического материала не решает задачу исключения эрозии стыка электрод-изолятор.

Наиболее близко к заявленному по своей технической сущности и достигаемому результату является конструкция канала МГД-устройства, предложенная в авторском свидетельстве SU 1741589, МПК Н02К 44/08, 1990 г.

МГД-канал содержит электродные стенки, выполненные из электродов и межэлектродных изоляторов, боковые стенки, выполненные из электроизоляционного материала. Зацепление между электродами и межэлектродными изоляторами выполнено в виде паза в изоляторе и соответствующего выступа в электроде.

Недостатком данной конструкции является незащищенность межэлектродного изолятора от разрушения его микродугой.

Задачей изобретения является повышение износоустойчивости МГД-канала, увеличение его срока службы и реализации возможности работы при повышенных тепловых нагрузках.

Техническим результатом изобретения является повышение износоустойчивости магнитогазодинамических (МГД) каналов, как МГД-генераторов, так и МГД-ускорителей, а также и других электротехнических устройств, в которых имеет место взаимодействие потока высокотемпературного газа с электрическим током посредством электродных систем.

Решение задачи и указанный технический результат достигаются тем, что в заявленном магнитогазодинамическом канале, состоящем из изоляционных и электродных стенок, включающих в себя электроды и межэлектродные изоляторы, межэлектродные изоляторы выполнены в виде выемок между рядом расположенными электродами с шириной L, большей той, при которой происходит пробой газового промежутка при газодинамических параметрах пограничного h слоя, и глубиной h, находящейся в соотношении с шириной выемки причем дно выемки выполнено из жаростойкого изоляционного материала, а поверхность дна выемки выполнена цилиндрической так, что стенки электрода являются касательными к ней.

На фиг.1 представлено поперечное сечение МГД-канала.

На фиг.2 представлена конструкция электродной стенки МГД-канала

На фиг.3 показан фрагмент электродной стенки, состоящей из двух электродов и межэлектродного изолятора.

На фиг.4 приведено распределение статического давления по длине МГД-канала при испытаниях его в холостом режиме, при использовании в качестве межэлектродных изоляторов выемок (каверн).

На фиг.5 приведено распределение статического давления по длине МГД-канала в рабочем режиме при использовании в качестве межэлектродных изоляторов выемок (каверн).

На фиг.6 приведено распределение полного давления за ударной волной р'₀ поперек выходного сечения сопла соответственно при работе МГД-канала в холостом режиме и в режиме ускорения.

На фигурах 4-6 приведены для сравнения аналогичные результаты, полученные при испытаниях МГД-канала с гладкими стенками (прототип).

МГД-канал (фиг.1)содержит две электродные 1 и две изоляционные 2 стенки, расположеные напротив друг друга, к которым примыкают полюса электромагнита 3. Электродная стенка (фиг.2) содержит электроизоляционную колодку 4 с укрепленными на ней медными электродами 5, между которыми расположены межэлектродные изоляторы 6. Межэлектродные изоляторы 6 выполнены в виде выемок 7 (фиг.3) между рядом расположенными электродами с шириной L, большей той, при которой происходит пробой газового промежутка при газодинамических параметрах пограничного слоя, и глубиной h, находящейся в соотношении с шириной выемки причем поверхность дна выемки выполнена из жаростойкого изоляционного материала в виде цилиндра или цилиндрической поверхности таким образом, что стенки электрода являются касательными к его поверхности. Радиус цилиндрической выемки равен L/2.

Устройство работает следующим образом. Под действием потока в выемке 7, расположенной между электродами 5, формируется вихревое движение газа таким образом, что скорости пограничного слоя и вихревого движения на внешней стороне выемки практически совпадают. Поскольку дно выемки выполнено в виде цилиндрической поверхности, стенки которой касательны к стенкам электродов 5, то в этом случае при вихревом движении в выемке 7 не возникает дополнительных вихрей, которые бы вносили дополнительное аэродинамическое сопротивление и увеличивали бы тем самым разность скоростей вращающейся области газа и пограничного слоя. Область вихревого движения газа с противоположных сторон ограничена изоляционными стенками 2. Поскольку на оси вихря статическое давление существенно меньше, чем на его границах, то на изоляционных стенках 2 возникает движение газа от внешней области вихря к его оси. Это широко известное в технике явление носит название вторичного течения газа. Вторичные течения формируют две струи газа, текущие по осям вихря от изоляционных стенок 2 и направленные навстречу друг другу. При их взаимодействии формируются обратные течения уже по внешней поверхности вихря от места их взаимодействия, расположенного практически по центру межэлектродного изолятора 6 обратно к стенкам. Под действием этого потока микродуги, возникшие на электродах 5, будут смещаться к стенкам, попадать в холодный пристеночный пограничный слой и там гаснуть. В результате воздействия электрического разряда дуги будут возникать вновь и вновь, сноситься к стенкам и т.д. Вследствие их перемещения поверхность электрода 5 не будет разрушаться так интенсивно, как если бы дуги стояли на одном месте.

Ширина и глубина выемки определяются величиной напряжения Холла между электродами МГД-канала. Расстояние между краями выемки (каверны), образованными соседними электродами, должно быть больше расстояния, при котором под действием потенциала Холла происходит электрический пробой данного газового промежутка. Величина Холлового потенциала рассчитывается по известным значениям напряженности магнитного поля, приложенного к МГД-каналу, и определяется величиной параметра Холла β где ω - циклотронная частота, τ - среднее время между двумя электронными столкновениям, n_е - число заряженных частиц, С_е - их средняя скорость, m_е -масса электрона, Q - эффективное сечение передачи импульса при столкновениях. Для величины напряжения потенциал Холла E_H между соседними электродами имеем:

где σ - проводимость газа в окрестности выемки (каверны), β - соответственно параметр Холла в том же месте, - вектор плотности тока в пространстве между электродами, В - магнитная индукция, L - расстояние между соседними электродами. Используя известные методы, описанные в литературе, см. например Y.K.Messerle "Magnetohydrodynamic Electrical Power Generation" John Wiley and Sons Ltd Unesco Energy Engineering series 1995; R.J. Rosa. Magnetohydrodynamic Energy conversion Hemisphere Publishing Corporation Washington 1987, можно рассчитать значение Е_H применительно к конкретному МГД-каналу или электротехническому устройству.

Отличительными признаками заявленного изобретения являются:

- выполнение межэлектродного изолятора в виде выемки (каверны) с нижней стенкой (дном) из изолятора;

- придание нижней стенке (дну) формы цилиндрической поверхности, вписываемой в выемку без зазора;

- выбор расстояния между электродами исходя из условий отсутствия пробоя газового промежутка под действием потенциала Холла;

- выбор соотношения между глубиной выемки и ее поперечным размером в соотношении где h - глубина выемки, L - ее ширина.

Выполнение межэлектродного изолятора в виде выемки (каверны) позволит избежать контакта микродуги на конце электрода с изолятором с одной стороны, а с другой - расположение изолятора на дне выемки в области, где величины тепловых потоков значительно меньше, что позволит увеличить ресурс МГД-канала, поскольку он в определяющей степени зависит от состояния электрических изоляционных элементов конструкции (изоляторов). Возмущения в поток, вносимые выемкой (каверной) на поверхности МГД-устройства, в значительной степени определяются выбором соотношений между характерными геометрическими параметрами выемки: ее шириной, глубиной и соотношением этих величин с характерным размером пограничного слоя на поверхности в месте расположения выемки. Минимальные возмущения потоку имеют место, если геометрические ее размеры выбраны таким образом, что реализуется тип течения, получивший название «открытая выемка», при этом отношение толщины пограничного слоя 5 к глубине выемки h должно быть δ/h<1. В этом случае пограничный слой на передней кромке выемки бывает оторванным и формирует, подобно струе, свободный вязкий слой смешения, обычно тонкий. В самой выемке имеет место циркуляционное течение вокруг оси выемки. Для того чтобы исключить образование в углах выемки, представляющих собой стык электрод-изолятор дополнительных вихревых систем, предлагается выполнить дно выемки в виде цилиндрической поверхности таким образом, чтобы электродные стенки были бы к ней касательными. В этом случае потери полного давления в вихре, индуцированном в выемке внешним потоком, будут минимальными. Из-за наличия боковых изоляционных стенок МГД-канала, ограничивающих с противоположных сторон выемку (каверну), в ней возникают вторичные вихревые течения, направленные по оси выемки от боковых стенок к ее центру навстречу друг другу. При столкновении их в центре выемки вдоль кромки электродов возникают обратные течения, направленные от центра к изоляционным стенкам, тем самым смещающие микродуги с места их расположения к изоляционным стенкам в область холодного пограничного слоя, где они должны погаснуть.

Выбор расстояния между электродами, обеспечивающий отсутствие электрического пробоя под действием потенциала Холла, был рассмотрен выше.

Выбор соотношения между глубиной выемки и ее поперечным размером был обусловлен анализом величины тепловых потоков к электродам, к стенке выемки по дну выемки. Минимальные тепловые потоки имеют место в случае «открытой выемки». В точке присоединения оторвавшегося потока на заднем электроде тепловой поток в 1,2-1,4 раза больше теплового потока к гладкой стенке. Поскольку электрод является металлическим с хорошей теплопроводностью, то такое возрастание теплового потока не наносит вреда конструкции.

Ниже приводится описание экспериментального МГД-канала и результаты его испытаний, выполненные в соответствии с заявленным изобретением.

В новой конструкции электродной стенки часть межэлектродного изолятора, непосредственно примыкающего к электродам, заменена выемкой (каверной), ширина которой выбрана из условия отсутствия электрического пробоя между электродами по газовому промежутку. Величина пробойного напряжения была рассчитана исходя из статического давления в потоке р_ст, температуры газа в пограничном слое около стенки Т_ст, наличия в нем присадки легко ионизируемых элементов и затрудняющим пробой магнитным полем В=2,5 Т. Величина Холловского потенциала была определена по известным соотношениям для МГД-канала при известной величине магнитной индукции В. Глубина каверны выбирается близкой к ее ширине так, как в этом случае реализуется одновихревая система течения в ней. В данном примере ширина каверны была выбрана равной 2,5 мм и такая же глубина. В зависимости от особенностей потока возможны и другие решения. Ниже приводятся результаты экспериментальной проверки работы МГД-канала с межэлектродным изолятором, выполненным в виде выемки, дно которой выполнено из электрического изолятора и сопоставлены с результатами испытаний гладкого канала на тех же условиях. Эксперименты по исследованию влияния межэлектродных выемок на газодинамические и электрические характеристики МГД-каналов проводились с каналом длиной 555 мм с 60-ю парами электродов, поперечным сечением входа F_BX=15×l5 мм и сечением выхода 15×20 мм. К выходу из МГД-канала пристыковывались сопла с выходным сечением F_выx=25×25 мм и 80×80 мм. Измерялось распределение статического давления по длине МГД-канала, полное давление газа за ударной волной на выходе из МГД-канала и выходе из сопла. В качестве источника проводящего газа применялся электродуговой нагреватель с параметрами торможения T₀=3500 К, р₀=2 ата. Число М на входе в канал было равно М=2. Расход рабочего газа - воздуха составлял 15 г/с. В поток вводилась присадка щелочных элементов в виде эвтектики в количестве 1,5% от массового расхода газа. Величина магнитного поля составляла 2,47 Тесла. Эксперименты проводились как в режиме холостого хода, так и в режиме МГД-ускорения газа. Согласно этим испытаниям, проведенным на модельном канале с межэлектродными выемками, отличие в распределении статического давления по длине МГД-канала при испытании его на холостом режиме, от соответствующего распределения давления по длине МГД-канала с гладкими стенками на том же режиме составляет не более 8%, например, смотри фиг.5.

Также незначительным оказалось отличие в распределении статического давления по длине МГД-канала при работе его в режиме ускорения потока, например, смотри фиг.6. В режиме МГД-ускорения потока полное давление за ударной волной для канала с межэлектродными изоляторами было меньше 9% соответствующего для гладкого канала (см. фиг.4). Сопоставление пульсационных характеристик электрического разряда между электродами МГД-канала с гладкими стенками и с выемками вместо изолятора показало практически их полную идентичность. Осмотр состояния межэлектродных изоляторов и канала в целом показал, что после проведения 15 испытаний каких-либо повреждений его конструкции не отмечено. В то же время при испытаниях канала с гладкими межэлектродными изоляторами их разрушение имело место после 5-7 пусков.

Изобретение относится к технической физике, к технологии эксплуатации магнитогазодинамических каналов, как МГД-генераторов, так и МГД-ускорителей, и может быть использовано в электротехнической и авиационно-космической промышленности, а также и в других областях техники. В предлагаемом устройстве защита электродов и межэлектродных изоляторов магнитогазодинамических (МГД) каналов включает в себя замену межэлектродных изоляторов на выемки (каверны) с организацией в них вихревых течений. Магнитогазодинамический канал состоит из изоляционных и электродных стенок, представляющих собой чередующиеся электроды и межэлектродные изоляторы. Межэлектродные изоляторы выполнены в виде выемок между рядом расположенными электродами с шириной L, большей той, при которой происходит пробой газового промежутка при газодинамических параметрах пограничного слоя, и глубиной h, находящейся в соотношении с шириной выемки , Поверхность дна выемки выполнена из жаростойкого изолятора в виде цилиндра или цилиндрической поверхности таким образом, что стенки электрода являются касательными к его поверхности. 6 ил.

Магнитогазодинамический канал, состоящий из изоляционных и электродных стенок, включающих в себя электроды и межэлектродные изоляторы, отличающийся тем, что межэлектродные изоляторы выполнены в виде выемок между рядом расположенными электродами с шириной L большей той, при которой происходит пробой газового промежутка при газодинамических параметрах пограничного слоя и глубиной h, находящихся в соотношении причем дно выемки выполнено из жаростойкого изоляционного материала, а поверхность дна выемки выполнена цилиндрической так, что стенки электрода являются касательными к ней.