Электрод магнитогидродинамического генератора Советский патент 1991 года по МПК H02K44/00 

Изобретение относится к магнито-т гидродинамическому преобразованию тепловой энергии я электрическую, более конкретно к конструкции электрода магнитогидродинамического (МГД) генератора.

Цель изобретения - увеличение ресурса и снижение приэлектродных потерь энергии.

На фиг. 1 изображен электрод МГД канала; на фиг. 2 - разрез А-А на

фиг. Г; на фиг. 3 - вариант электрода т: волокнами и капиллярами в пористой среде; на фиг. 4 - разрез Б-Б на фнг. 3; на фиг. 5 - вариант элек- трода со смешанным охлаждением; на фиг. 6 - разре% Г-Г на фиг. 5; на фиг. 7 - вид по стггЛхе Е на фнг; 5; на фиг. 8 - вид по стрелке Ж на фиг. 7; на фиг. 9 - сечение нктн из волокон; на фиг. 10 - сечение сплот-. ного волокна; на фиг. I - сечение :

3U

полого волокйа; н.1 фнг. 12 - решетка волокон в поперечном сечении электрода л капилляр, образованный группой вакансии решетки; на фиг. 13 - волокнистый материал с волнистым волокном утка; на фиг. 14 - разрез 3-3 на фиг. 13; на фиг. 15 - вблокнистый материал с перегфтчками между волокнами; на фиг. 16 - разрез И-П на . фиг. 15; на фиг. 17 - лента волокнистого материала; на фнг. 18 - сечение гофрированной ленты; . 19- лиеты ленты с покрытием перед сборкой пакета волокон;, на фиг. 20 - па- кет волокон после сборки и обжига; на фиг. 21 - волокна в пористой срр- де из миКроволокон; на фиг. 22 - крепление изогнутых волокон; на фиг 23 - волокно с переменным по дл11не составом; на фаг, 24 - покрытие на волбкне; на фиг. 25 - соединение волокон с ребром; . 26 - разрез К-К на фиг. 25; на фиг. 27 - вариант соединения волокна с ребром; на фиг,, 28 - металлизированное основание волокна. (Направление потока плаз№)1 показано стрелкой на фиг. I). Электрод МГД-канала йодер жит металлическую шину I, керамический блок 2, закрепленный на иине, тепло- воспринимающую поверхность 3 блока. Керамический блок 2 выполнен в виде решетки из оксидных волокон 4 со сквозными капиллярами 5, образованными вакансиями в решетке, которые Сообщаются со средой вне канала. Капилляры представляют собой npoct- ранство между волокнами. Волокна имеют переменный по их длине состав. На 4sir. 1 волокна 4 расположены с

наклоном 60 к направлению потока . плазмь. .

Шина 1.снабжена параллельными металлическими ребрами 6. Зазоры 7 между ребрами сообщаются со средой .вне канала и с капиллярами 5 между волокнами 4. Основания 8 волокон 4 припаяны к кромкам 9 ребер шины 1. Свободные концы 10 волокон 4 расположены на тепловоспринимающей поверхности 3 блока 2 и имеют закругления 11 сферической формы. Волокна 4 скреплены между собой ориентированными вдоль канала планками. 12 из волокнистого материала,(см.фиг. 2 и 9). Планки 12, выполняющие роль утка, припечены к боковой .поверхности волокон 4. На выходе в МГД-ка0

5

5

5

0

нал капилляры 5 частично перекрыты планками 12. Ребра 6 расположены между гранями 13 и 14 шины 1. От смежных элементов канала электрод отделен изолятором 15 в форме пластины, армированной вспомогательными волокнами 16, которые ориентированы поперек волокон 4 электрода. Смежным может быть другой электрод либо элемент футе- ровки 17 с керамическими волокнами 18, установленными так же, как и волокна 4 электрода, но выполненными из изоляционного материала.

Каждое волокно 4 включает низкотемпературную 19 и вьГсокотемператур- ную 2.0 части. Составы частей волокна 4: часть 19 - 60 мол.% ZrO + + 40 мол.% , часть 20 - 88 мол.% ZrO + 12 мол.% . Причем первая обладает электронной проводимостью при комнатной температуре и сохраняет ее при нагреве. Длина части 19 соответствует интервалу температур до и состав-- ляет не менее половины длины волокна. Граница-21 между обеими частями волокна представляет собой область, в

которой происходит плавное изменение состава керамики по длине волокна

При данной геометрии решетки (см. фиг. 2) максимальное заполнение поперечного сечения электрода волокнами составляет « /4« 0,7. Диаметр волокна 0,5 - 1,5 мм, длина волокна 10 - 30 мм, толщина ребра 6 0,3 - 1 ,0 мм, ширина зазора 7 0,3-1,0 мм. Материал ребер 6, граней 13 и 14 и шины 1 - медь, жаропрочные сплавы. Материал планок 12 - картон из керамической ваты на основе двуокиси .циркония либо непрерывное волокно, в частности, диаметром, равным тол-

5 щине планки 12. ; .

Существуют другие варианты выпол-. нения электрода КГД-канала. В электроде (см. фиг. 3 и 4) волокна 4 из оксидной керамики и капилляры 5 рас0 положены в керамическом блоке 2, средняя плотность которого мёньйе плотности волокна 4. В поперечнЬм - сечении капилляры 5 имеют .форму вакансий в плоской решетке из водо5 кон 4. Зазоры между йолокйамн 4 заполнены пористой средой 22, выполнен- ной из микроволокон и включающей три различающихся составом слоя; низко- температурный 23, высокотемг ератур5U

ньгй 24 и средний 25. Слоя 23 и 2Д постоянны по составу, в среднем слое 25 состав изменяется вдоль волокна 4 с образованием-плавного перехода между слоями 23 и 24.

Среда 22 и волокна 4 выполнены на основе стабилизированного оксида циркония. Их низ коте mep.aтypныe об- ласти - слой 23 и часть 19 содержат оксид индия. При достаточно плотном расположении волокон 4,. когда пористая среда 22 занимает незначительную долю поперечного сечения электрода, допустимо выполнить се однородной по состлву, без добавки оксида индия,

Керамический токовывбд 26 электрода образован частью 19 волокон 4 и слоем 23 пористой среды. Тепловос- принимающая поверхность 3 блока 2 образована частью 20 волокон 4 и споем 24 пористой среды 22. Обращенная к шине электрода поверхность то- ковывода покрыта слоем металла 27. Этот слой припаян к ребрам 6 шины.

Ребра разделены зазорами 7, которые сообщаются с капиллярами 5 и со средствами подвода окислителя вне канала. От смежных элементов канала 28 и 29 электрод МГД-канапа отделен изоляторами 15 в форме плит пористого материала, армированных волокнами 16. В данном варианте вместо единичных волокон 4 могут быть использованы нити, составленные из элементарных волокон меньшего диаметра (см. фиг. 9)

В следующем варианте электрода МГД-канала (см. фиг. 5-8) металлические ребра 6 выполнены на литом водоохлаждаемом корпусе 30 с полостью 31 для протока воды. К ребрам 6 припаяны волокна 4 из оксидной керамики На основе стабилизированной двуокиси циркония. ВоЛокна 4 покрыты слоем металла 27 гальваническим нанесением покрытия либо окунанием концов волокон в расплав металла.. Каждое волокно 4 включает различающиеся составом низкотемпературную 19, высокотемпературную 20 и среднюю 32 части. Часть 19 относится к токовы- воду 26, содержит оксид индия и обладает электронной проводимостью при температурах от комнатной и выше. Mactb 20 относится к тепловосприни- макяцей поверхности 3 блока 2 и не, содержит окиси индия либо содержит ее меньше чем часть 19. Вдоль сред-.

65966

noil части 32 содержание оксида ннлня на единицу длины всхпокна плавно ич- меняетсч между его значениями в крайс них частях 19 и 20.

Крепление волокон 4 друг с другом выполнено дискретным - отдельными перемычками 33 - 35, которые не перекрываются по длине каждого волокна,

Q т.е. расположены так, что перемычка 35 находится между двумя другими перемычками 33 и 34 и отделена от них отрезками волокна, свободными от связей с другими волокнами. Такое креп15 ление волокон создает условия для их свободной тепловой деформации по толщине. Дополнительно волокна 4 скреплены планками 12.

Смежные электроды разделены проме20 жутками 36 и 37, по которым окислитель 38 (воздух) поступает в зазоры 7 между ребрами 6 и затем в капилляры 5 между волокнами 4. Края ребер имеют скругления 39 а корпус 30 - скругле25 ния 40, снижающие местное сопротивление- потоку воздуха. Данный вариант электрода МГД-канапа имеет комбинированное охлаждение - водяное и воздушное.

30

От смежных элементов стенки МГД- канала электрод отделен изоляторами . 15. Электрод секционирован полками 41 , которые опираются на изоляторы 15 и

эс отдельные металлические ребра 42, вы- сота которых может быть увеличена (см. фиг. 7, пунктир). Изолятор 15 может быть в(д1полнен с окном 43 (см. фиг. 7, пунктир) для дополнительного

40 поступления воздуха в капилляры электрода. В описанных вариантах электрода МГД-канала волокна 4 могут быть составными (см. фиг. 9), монолитными

45 (см. фиг. 10), полыми (см. фиг. И). Составное волокно 44 представляет собой нить или жгут из элементарных волокон 4, которые спечены между.собой по образующей на всем протяжении

50 либо в отдельных местах. Волокна 4 могут быть получены вытягиванием из расплава либо геля. Монолитное волокно 45 может быть получено из порошке- образной композиции формовкой под

5 прессом, экструзией, литьем с последующим обжигом. Полое волокно 46 может быть получено зкструэией. Отверстие 47, проходящее вдоль волокна 46, служит капилляром, который сообщается с атмосферой вне канала. При длине волокон 10-30 мм могут быть использованы элементарные волокна диаметрами от 1 мкм до мм. Наиболее тонкие волокна (3-5 мкм) применяют в виде нитей с числом элементарных волокон 10 и с малой степенью закрутки (0- 10- круток на 100 мк). . .

да органические волокна 50 выгорают, а оставшиеся волйистые керамические волокна 51 утка деформируются путем 5 изгиба при нагреве и не меняют существенно размеров электрода вдоль стенки МГД-канала. В другом варианте полые волокна 46 ленты А8 скреплены перемычками 52 из органики либо кера20

25

Предельным случаем описанных вари- .10 мики (см. фиг. 15 и 16). антов (см. фиг. 1,3,5) является элек- Изготавливают ленты (см. фиг. 17- тррд МГД-канала в виде снопа волокон 19) двух сортов - с основной только с вакансиями, образукяцими капилляры 5 из керамических волокон 4, а также (см. фиг. 12). Из-за отклонения формы с основой из чередуюпихся керамичес- волокна от идеального прямого цилинд- 15 ких волокон 4 и органических воло кон 50 из полиэтилена либо полиамида. Волокна 4 основы могут быть уложены на ленте с наклоном (см. фиг. 17, . пунктир).

На ленту 48 из волокнистого материала наносят различающиеся по составу покрытия в виде продольных распо- ложенных рядом полос 53 - 56, сплош- в ных либо дискретных, состоящих из отдельных пятен 57 (см. фиг. 17). От- состава сплошных полос зависят состав волокон 4 и пористость среды 22. Пятна 57 при обжиге становятся перемычками 33 между волокнами (см. фиг., 5). Составы для покрытий готовят следующим образом. Измельчают электро- плавленную керамику до.размеров зерен 0,1 - 0, мкм, измельчают керамическую вату до длины микроволокон 0,1-1 мм, 35 Используют керамику и вату на основе оксида циркония. Из полученных порош- ков и порошка оксида индия готовят суспензию в растворе связующего, например в водном растворе поливиншю- 40 вого спирта. Покрытие ленты 48 дуспен зией выполняют путем распыления, например пневматического, при помощи , экранов, открываннцих только одну мэ полос 53-56 либо мейта нанесения пяра между волокнами сохраняются зазоры на большей части их длины. Места контактов, где волокна спечены друг С другом, занимают меньшую часть длины волокна. Это обеспечивает свободную тепловую деформацию волокон

0

по их толщине. При нагреае до 2000 С для этого достаточно зазора в 1-2% от диаметра волокна.

Для изготовления электрода МГД- канала используют керамические волокна на основе двуокиси циркония. Изменение состава пО длине волокна, а именно обогащение части волокна оксидом индия, может быть осуществле- 30 но в процессе изготовления волокна либо путем диффузии из пoкpыtий в процессе обжига электрода, а, также путем термического разложения оксида индия в части волокна, которое до этого было изготовлено однородным по составу и содержало оксид индия. При экструзии крупных волокон диа.- метром порядка 1 мм изменение состава по длине может быть достигнуто периодическим изменением соотношения компонентов в порошковой массе перёд выходом ее из экструдера. Волокна типа игл длиной 20 мм и диаметром

да органические волокна 50 выгорают, а оставшиеся волйистые керамические волокна 51 утка деформируются путем изгиба при нагреве и не меняют существенно размеров электрода вдоль стенки МГД-канала. В другом варианте полые волокна 46 ленты А8 скреплены перемычками 52 из органики либо керамики (см. фиг. 15 и 16). Изготавливают ленты (см. фиг. 17- 19) двух сортов - с основной только из керамических волокон 4, а также с основой из чередуюпихся керамичес- ких волокон 4 и органических воло20

35 40

25

35 40

30

Изобретение относится к энерге-. тике, волее конкретно к электроду магнитогидравлического генератора. . Электрод предназна,чен для съема то- ка в канапе МГД-генератора открытого цикла. Цель изобретения - повьшение ресурса и снижение приэлектродных потерь энергии. Электрод содержит металлическую шину 1, на которой эа1феплен керамический блок 2 с теп- ловоспринимакнцей поверхностью 3. Керамический бУюк выполнен в виде решетки из оксидных волокон 4 со сквозными капиллярами 5, ориентированными вдоль волокон. Волокна 4 имеют переменный по их длине состав и расположены с наклоном в сторону выхода из канала. Шина металлическими ребрами -6 зазоры между которыми связывают капилляры 5 со средствами подвода окислителя. Основания 8 волокон прикреплены к кромкам 9 ребер. Концы волокон выступают в канал и закруглены. Волокна включают оксид нндия, содержание которого на единицу длины волокна максимально у осно- вания волокна. Для изготовления электрода, используют ленту из волокнистого материала с чередующимися керамическими и органическими волокнами основы, которая ориентирована по ширине ленты. На ленту наносят различающиеся по составу покрытия в виде ; продольных, расположенных рядом, полос, разрезают ленту вдоль основы на листы, кото)ые складывают в пакет и спекают. 2 з.п. ф-лы, 28 ил. i (Л С со Ф СП

1 мм могут быть от1зтампованы автома- 45 тен 57. После этого-ленту сушат,- тическй в пресс-форме, заполняемой Лента 48 может быть выполнен гоф- с двух концов из двух бункеров с раз- рированной с ориентацией гофр 58

ными составами порошкообразной композиции.

Из керамических волокон изготавливают волокнистый материал в форме ленты 48, в которой волокна 4 обра- зуют основу, ориентированную по ширине ленты. Волокна 4 оснотзы скрепляют утком 49, в качестве которого используют прямые органические волокна 50 и волнистые керамические волокна 51 (см. фиг, 3 и 14). ПЬсле спеканнм керамической части электровдоль волокон Это придает керамичес- КИМ волокнам 51 утка 49 волнистую

форму, что повьш(ает термостойкость электрода.

Введение оксида индия в состав отдельных полос 53-56 410зволяет получить волокна с изменением содержания

оксида индия по длине волокна за сЧет образования пленки оксида индия на части волокна и за счет диффузии оксида индия в глубь волокна на участке данной полосы. Для получения пористой

9U96396

среды 22 в состав порошковой композиции вводят избыток органической св яз20

25

ки, которая выгорает при обжиге. В местах, где волокна должны быть свободны, используют покрытие, содержащее только органический наполнитель.

Из лент вырезают листы 59 - 61 (см. фиг. 19), складывают их в пакет, который затем прессуют и обжигают. В ю полученном материале (см. фиг. 20) керамические волокна 4 образуют решет- .. ку, а на местах органических волокон 50, выгорающих при обжиге, образуются капилляры 5, являющиеся вакансиями в 15 решетке волокон. При этом волокна А и капилляры 5 расположены в пористой среде 22. Полученный образец шлифуют и покрывают слоем металла 27..

Микроволокн 62 пористой среды 22 в результате обжига спекаются между собой и с отдельными местами 63 волокон основы волокнистого материала (см. фиг. 21). Изготовление волокон 4 изогнутыми позволяет получить термостойкую конструкцию электрода с креплением волокон между собой в от- . , дельных заданных местах 64 и 65 (см...; фиг. 22).

При изготовлении вариантов элект- 30 рода МГД-канала по фиг. 1 и 5 в пакет листов вкладывают планки 12.

У керамических волокон на основе оксида циркония, состав которых ме- няется.по длине ступенчато (см. 35 фиг. 23), часть 19, содержащая оксид индия, относится к токовыводу 26. На границе 21 частей 19 и 20 волокна 4 протекает электрохимическая реакция с участием кислорода. Поверх- 40 ность границы может быть увеличена, а перенапряжение реакции соответственно уменьшено путем расширения части 19 на боковую поверхность 66 волокна А в окрестности его основа- 45 ния. Если исходное волокно 4 имеет состав, одинаковый по его длине, и не содержит оксида индия, то относящаяся к токовыводу часть волокна 19 должна быть в. с покрытием 67 Q из оксида индия на всем протяжении этой части (см. фиг. 24). Однако такое волокно уступает по допустимой плотности тока волокну с равномерным распределением оксида индия по сече- 55 нию волокна.

Существуют варианты крепления волокон к ребрам. В ребре 6 выполнены поперечные гнезда 68, куда впаяны

10

0

5

5

,

0

5 0 5 Q

волокна 4 (см. фиг. 25 и 26). Вдоль ребра 6 выполнен паз 69, в который входят концы волокон 4 (см. фиг.27). Металлизацией волокна 4 на его конце получен металлический чехол 70, скрепленньо с ребром 6 (см. фиг.28).

Электрод работает следующим образом.

Электрод МГД-канала может быть установлен как на анодной, так и на катодной стенках канала и работает при этом соответственно как анод либо к-ак катод. При движении плазмы в магнитном поле, направленном поперек потока, между анодной и катодной стенками МГД-канала возникает ЭДС. Электроды - кат од и анод - соединены с нагрузкой во внешней цепи МГД-канала генератора и участвуют в переносе тока под действием ЭДС в плазме. .

На границе 21 в волокне 4 электронная проводимость низкотемпературной части 19 переходит в анионную проводимость высокотемпературной части 20. У катода МГД-канала на на границе 21 молекулярный кислород воздуха, подаваемого через капилляры 5, восстанавливается до аниона О

по схеме 0 +

2который мигрирует к закругленному концу 10 волокна 4, отдает электрон плазме, 20 - Oj « 4е и в виде молекулярного кислорода уносится потоком плазмы. К границе 21 воздух поступает по капиллярам 5. У анода МГД-канап,а на конце 10 волокна 4 идут прюцсссы COj -f + 0 и 02 4е-2С02 с образованием аниона О , которьй мигрирует к границе 21. Там он окисляется до молекулярного кислорода, 20 4е, которьт диффундирует в капилляр 5 и оттуда вместе с воздухом поступает в канал МГД-генера- тора.

В МГДтканале с потоком плаЬмы. статическое давление вьпуе атмосферного. Под влиянием перепада давления, создаваемого средствами подвода окислителя, воздух подается в зазоры 7 между ребрами 6, затем в капилляры 5 и вдувается в поток плазмы. Относительно малый диаметр волокна обеспечивает доставку кислорода в зоне электрохимической реакции, которая расположена внутри волокна на границе 21 между частями 19 и 20 волокна. Подаваемый в капилляры воздух выполняет и другие функции: охлаясдает ме- taлличecкиe ребра 6 и ксраническме волокна 4, препятствует попаданию присадки из канаяа в глубь электрода.

Наклон Ёолокон к вькоду нз канала, т.е. в направлении потока плазмы, и закругления 11 на их концах уменьшают потери нопора на трение потока о стенки, обусловленные, вtO

частности, турбулентной вязкостью.

Планки 12,. сую1вающие просвет капилляров 5 у их выхода в канал, создают дополнительную защиту от при- Ссщки. Как средство крепления воло- 15 кон 4 планки 12 фиксируют только диаметрально противоположные места боковой поверхности волокна, оставляя свободной тепловую деформацию волокон по толщине в направлении20

самих планок. Тепловая деформация волокон по толщине в направлении, перпендикулярном планкам 12, может быть обеспечена путем создания тепловых зазоров,, например за счет про- 25 пуска отдельных планок. На большей части длины волокна 4 свободны от связей и их тепловая деформация в поперечном направлении не ограничена. Выполнение планок и других свя- 30 зей между волокнами из пористого материала со средней плотностью, которая ниже плотности волокна, также способствует снятию тепловых напряжений в волокнах, 25

Равномерный нагрев всех волокон электрода обеспечивает одинаковую их тепловую деформацию по длине и отсутствие разрушающих напряжений в этом направлении. Приемником излучениядо

плазмы служат выступаищие в канал зак- .ругленные концы 10 волокон А. Благодаря зазорам между концами волокон часть теплового излучения плазмы попадает на боковую поверхность волок- на. По мере увеличения зазора между волокнами тепловая энергия, получае- мая одним волокном, возрастает, а температура его конца увеличивается. Возрастает и поверхность контакта„

электрода с плазмой за счет примыкающей к концам волокон их боковой поверхности в зазорах и за счет закругления концов волокон, В совокупности эти факторы - рост поверхности и ее температуры - увеличивают эмиссию электронов с катода МГД-каиала

Волокна 16 изолятора 15 восприни- мают иагрус ку, няпраялеиную поперек

волокон 4 электрода, что повышает прочность керамической части стенки МГД-канала. Возможно также комбинированное охлаждение электрода вдувом воздуха 38 через капилляры 5 и с помощью водяного охлаждения корпуса 30 электрода. Планки 12 у горячей поверхности электрода могут быть ориентиро- валы.поперек потока в канапе, т.е. под углом 90° к ориентации, показанной на фиг. 2. Допустимо введение дополнительных планок между волокнами 4 Ток через электрод МГД-канала идет по волокнам 4, пересекая границу 21 между частями 19 и 20 с разными типами электропроводнЬсти. Поскольку волокна выполнены из плотной керамики, то их электропроводность в каждой точке максимальна для соответствующих этой точке состава керамики и температуры, а эффективная локальная элех- троироводность на порядок выше, чем у известного электрода. Формула изобретения

. Электрод магнитогидродинамического генератора, содержащий металлическую шину, пористый керамический блок, скрепленный с щиной, оксидные волокна расположенные в блоке, теп- ловоспринимающую поверхность блока, отличающийся тем, что, с целью увеличения ресурса и снижения приэлектродных потерь энергии, керамический блок выполнен в виде решетки из оксидных волокон со сквозными капиллярами, ориентированными вдоль волокон, волокна выполнены с перемен- ньм составом волокна по их длине, ос- нованйя волокон закреплены на металлической шине, а их свободные концы расположены на тепловоспринимшощей поверхности блока, шина выполнена с ребрами, -зазоры между которыми сообщены со средствами подвода окислите-

ля к волокнам. ,

Поток плазмы

Возду}(

.

/

V

ч ч

ч

ч ч

Физ.2

б 31

33

А

/ /

4VVN

v///- /y i 777:.

л

iT

sXVS

Поток ,ti

Л

37-1

X Х

/

1

Фиг.5

г-г

фиг.1

Н

Фие. 7

/36

W

л

у

к

Д

X

м

фие.в

«4

Фиг.9

5

3jL

5

Фие.Ю

Фиг, 11

0U3.JZ

У

57 (/5

Фаг.П 5-г5

.5

г /4

5/

И

L

-L

фце. 15 И И

52 46

0lf3.16

Фие.Л

Фие.1в

Ч

gg /J

//г /

//сг: /

Физ.20

f

Фие. 2

0us.2B

Фи9.27

Ф149. 28