Канал магнитогидродинамического генератора Советский патент 1982 года по МПК H02K44/12 

2.Канал поп.1, отличающийся тем, что С-образные модули вьшолнены из изолированных друг от друга элементов, соединенных между собой наружными перемьиками.

3,Канал поп.1,отличающ и и с я тем, что диагонально расположенные участки С-образных модулей вьшолнены с отогнутыми концами,угол

наклона которых к оси канала с/, заключен в интервале

arcsin(2sino(.)o -5 при , ..| ,

где ot - угол наклона к оси канала средней части С-образного модуля.

1. КАНАЛ МАГНИТОГИДРОДИНА- МИЧЕСКОГО ГЕНЕРАТОРА с диагонально проводящими стенками, образованными протяженными модулями из электропроводного материала, электрически изолированными друг от друга, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности, протяженные модули выполнены С-образными и распо.ложены через один навстречу друг другу. ;о о О1 ср S 4

Изобретение относится к энергетике, а более конкретно к магнитогидродинамическому (МГД) методу получения электроэнергии, в частности к каналу МГД генератора, и может найти применение в МГД генераторах, например, диагонального типа.

Известен канал кондукционного секционированного МГД. генератора,содержащий электродные стенки и изоляционные стенки с протяженными модулями и I электропроводного материала, изолированными друг от друга и расположенными под углом к проЙольной оси изоляционной стенки, и примыкающими к модулям на концевых участках эквипотенциальными переходными алементами, причем изоляционная стенка канала на концевых участках снабжена, по крайней мере, одним дополнительным модулем, имеющим Vобразный изгиб в сторону электродной стенки, от которой берет начало.

Известное техническое решение имеет то преимущество, что используя на концевых канала изогнуты V-образно модули, можно управлять ра пределением электрических параметров и обеспечивать оптимальные или близкие к оптимальным выходные рабочие характеристики МГД генератора. Кроме того, для диагональных МГД каналов с достаточно малым углом наклона диагональных модулей V-образный изгиб . модулей на концевых участках позволяет существенно сократить длину последних и тем самым - теплогидравлические потери, что приводит к повышению эффективности генератора в целом.

Недостатком описанного канала является наличие предельного (минимального) шага секционирования и электродных станок. Поскольку огн.евая

поверхность канала образована металическими трубками прямоугольного ли овального сечения с каналами для протока охлаждающей воды, то вследствие необходимости обеспечения соответствующих теплогидравлических и прочностных характеристик поперечные размеры трубок имеют минимально допустимые значения. Это обстоятельство лимитирует шаг секционирования

стенок диагонального канала.

Известен также канал магнитогидродинамического генератора с диагонально проводящими стенками, образованными протяженными модулями из электропроводного материала, электрически изолированные друг от друга. Рабочий участок канала выполнен из плоских диагональных рамок, в которых вдоль сторон рамки выполнены каналы

для протока охлаждающей воды. К рабочему участку в концевых участках примыкают эквI пoтeнциaльныe переходные элементы, расположенные со стороны входного и вьпсодного участков

канала МГД генератора. Простое и достаточно технологичное решение известного канала МГД генератора обеспечивает его надежную и эффективную работу в определенном диапазоне рабочик параметров. Основным технологическим преимуществом рамочного канала является простота его конструкции, обусловленная тем, что канал такого типа содержит Минимальное

число эквипотенциальных элементов, имекяцих индивидуальное охлаждение 39 водой. Это обстоятельство одновременно повышает надежность конструкции. К недостаткам указанного техничес кого решения следует отнести невысокую эффективность канала вследствие ограничения степени секционирования канала. Шаг секционирования определяется толщиной рамки (в направлении перпендикулярном к ее плоскости), которая обусловлена требованиями надежного охлаждения и прочности кон струкции. Существование минимально допустимого шага секционирования ограничивает величину рабочего напряжения канала, так как в МГД каналах, работающих на продуктах сгорания органических топлив, существуют предельные значения межэлектродных напряжений, при превьшении которых возникает межэлектродный электрический пробой, приводящий к снижению выходных характеристик канала и дуго вой эрозии электродов и межэлектрод- ных изоляционных промежутков. Указанный недостаток особенно про является при малых углах наклона рамок к оси канала, которые необходимы для обеспечения высоких значений КПД

в генераторах промышленного назначения или достаточной эффективности в генераторах с машыми величинами параметра Холла. В этом случае в силу геометрической связи между размерами 35 элементов конструкции даже при малой толщине рамки шаг секционирования канала вдоль его оси может оказаться весьма большим. Это приводит ко второму недостатку, связанному с появля- 0 ющейся трудностью охлаждения стенки, перпендикулярной к диагональной стенке и называемой условно электродной стенкой. При малых углах наклона рамки удельная поверхность электродной 45 стенки, приходящаяся на единицу длины канала охлаждения, может значительно превысить удельную поверхность боковой диагональной стенки. В этом случае одного канала охлаждения в 50 электродной стенке для снятия суммарных тепловых потоков может оказаться недостаточно. Организация же нескольких каналов охлаждения в электродной части рамки усложняет техно- 55 логичность рамочной конструкции.

Целью изобретения является повыйение эффективности.

Каждый модуль состоит из двух элементов 3, расположенных на верхней и нижней горизонтальных стенках канала, называемых обычно электродными стенками, и одного диагонального элемента 4, расположенного на одной из вертикальных стенок. Модули имеют С-образную форму и охватывают проходное сечение канала с трех сторон каждый. Расположены модули вдоль канала через один навстречу друг другу элементами 3. Зазоры 5 между С-образными модулями заполнены изоляционным непроводящим материалом.

Работа канала осуществляется следующим образом.

Канал помещается в магнитное поле В, направление которого показано на фиг, 1 стрелкой 6, и по нему пропускается электропроводящей газ со скоростью V в направлении стрелки 7 При этом в потоке возникает ЗДС V х В, под действием которой в канапе потечет электрический ток, направление которого будет зависеть от величины нагрузки, подключаемой к каналу.Нагружёние канала осуществляется так же, как нагружение любого диагональ4Поставленная цель достигается тем, что протяженные модули вьтолнены Собразными и расположены через один навстречу друг другу. . С-образные модули выполнены из изолированных друг от друга элементов, соединенных между собой наружными перемычками. Диагонально расположенные участки С-образных модулей могут быть выполнены с отогнутыми концами, угол наклона которых к оси канала at заключен в интервале О 6ol I- о arcrsin(2sinot)io(i&S Vf при|.1, где о(. - угол наклона к оси канала средней части С-образного модуля. На фиг. 1 показан предлагаемый канал, общий вид; на фиг. 2 - С-образные модули с наружными перемычками; на фиг.3,4 и 5 - С-образные модули с отогнутыми концами диагональных участков. Канал МГД генератора содержит проводящие стенки 1 и 2, образованные протяженными модулями из электропро- водного материала. ного канала. Например, нагрузка может быть подключена к входу и выходу канала. В случае оптимального нагружения канала средний по свечению продольный (холловский) ток на его активном участке равен нулю, и рабочий ток в потоке протекает в основном в направлении ЭДС V х В, т.е. между го ризонтальными стенками 1-1. При этом наличие в поперечном сечении канала неоднородностей электропроводности, проявляющихся в пристеночных пограничных слоях, приводит к тому, что часть рабочего тока поступает не на стенки 1, а на боковые стенки 2. Известно, что этот эффект приводит к повышению характеристик рамочного МГД генератора, а соотношение между величинами токов,поступающих на боковые проводящие стенки 2 и электродные стенки 1, зависит отусловий течения (толщины пограничного слоя, температуры стенки, параметра Холла и др о). В предлагаемом канале закорачивание элементов 3 и 4 образует не замк нутые рамки, а С-образные эквипотенциальные модули. Поэтому электричес1КИЙ ток, поступающий на нижний элемент 3 (катод) и на примыкающие к нему участки диагонального элемента 4, протекает вверх по диагоналйому элементу и возвращается в. поток из верхнего элемента 3 (анода). Таким образом происходит протекание рабочег9;,тока от входа канала к его выхо ду и реализуется работа предлагаемог канала с диагонально проводящими стенками. В канале характер протекания тока и распределения потенциала в потоке плазмы сохраняется в основном таким же, -как и в обычных ди гональных каналах. , В предлагаемом канале шаг секционирования электредной стенки вдвое меньше, чем в обычных диагональных каналах. Вследствие этого соответственно уменьшаются напряжение и ток н элемент 3 электродной стенки. В этой связи при одинаковом выходном напряжении сравниваемых каналов увеличивается надежность предлагаемого кана ла. С другой стороны, при одинаковых напряжениях между элементами 3 элект родной стенки 1 содтветственно увели чивается выходное напряжение на нагрузке. |При этом возрастает напряжение между диагональными элементами 4 модулей и возникает опасность электрического пробоя между диагональными элементами 4 в случае,если последние объединены с элементами 3 электродной стенки и воспринимают существенную часть рабочего тока из плазмы. Тем не менее в предлагаемом канале имеется обоснованная возможность повышения выходного напряжения при сохранении одинаковой надежности в работе. Это обусловлено тем, что электрический дуговой пробой, резко снижающий надежность канала поддерживается между токопроводящими элементами при напряжениях, величина которых в определенном диапазоне значений обратно пропорциональнавеличине тока, поступающего на эти элементы. Поскольку при характерных значениях параметра Холла (порядка или менее нескольких единиц) величина тока, поступающего на боковую стенку канала МГД генератора, обычно меньше тока, поступающего на электродную стенку, то предельно допустимое напряжение между диагональными элементами превьш1ает таковое для элементов 3 стенки 1. В связи с этим в канале обеспечивается надежная работа при повьшенном межмодульном и, соответственно, выходном напряжении, величина которого определяется параметрами потока и конструкцией канала. При изготовлении канала из С-образных элементов, содержащих один ка„ д охлаждающей воды, интенсивность охлаждения электродных стенок увеличивается, по меньшей мере, в два раза. Предлагаемое техническое решение задачи может быть реализовано в различных вариантах исполнения. На фиг. 2 представлен вариант выполнения С образных модулей, образующих проводяшд е стенки 1 и 2 канала МГД генератора в виде изолированных друг от друга элементов 3 и 4, соединенных между собой наружными перемычками 8. При этом работа МГД генератора не изменяется, но появляются существенные технологические преимущества в изготовлении и эксплуатации канала. Использование технического решения по фиг. 2 позволяет изготавливать канал из отдельных стенок (двух электродных и двух боковых). При этом все проводящие элементы этих стенок имеют индивидуальное водяное охлаждение, а закорачивающие элементы перемычки могут служить трубками для последов тельного перепуска воды по трем элементам С-образного модуля от одного коллектора охлаждения. ТехнологичесКИМ преимуществом является существен ное упрощение конструкции элементов 3, представляющих собой электроды, так как в рассматриваемом варианте элементы 3 вьтолняются из профилей или пластин прямоугольного сечения и не содержат трудноохлаждаемых острых углов, которые существуют в обычном рамочном канале, например в известном. Изготовление канала из четырех отдельных стенок значительно повышает его ремонтоспособность и существенно сокращает объем необходимых ремонтных работ при его эксплуатации На фиг. 3, 4, 5 предлагаемый кана МГД генератора на рабочем участке содержит проводящие стенки 1 и 2, образованные протяженными элементами 3 и 4 , причем концы 9 элементов 4 расположены под углом к электродным стенкам 1. На участках стенок 3, не занятых элементами 4 с отогнутыми концами 9, расположены проводящие элементы 10. Зазоры между модулями заполнены изоляционным непроводящим материалом. Применение изогнутых элементов 4 обладает тем преимуществом, что при соответствующем выборе углов наклона элементов 9 и 10 (описывается ниже) все проводящие элемен ты канала 3, 4, 9 и 10, а также изоляционные промежутки могут быть выполнены из профилей и пластин одинаковой щирины (в плоскости соответствующих стенок). Угол наклона концевого участка 9 диагонального элемента 4 к электронной стенке loL зависит от угла наклона средней части элемента 4 к этой стенкеЫ . В силу геометрических соотношений различают два варианта.Пер вый соответствует малым углам наклон средней части диагонального элемента .сА , лежащим в диапазоне значений О с. . В этом случае минимальный о шаг секционирования электродной стенки 1 определяется минимально допустимым поперечным размером элемента 4 И его углом наклона в средней части. На фиг. 4 схематично показана кон струкция участка стенок МГД генератора. Минимальный щаг секционирования стенки 1 ДХ связан с шагом секционирования стенки 2 в средней части & соотношением ьХ 5 /Zsinoi.. При постоянной толщине элемента 4 этот шаг обеспечивается отгибом его конца 9 к стенке 1 под угломЫ, равнымci.,arcsin(2sino(.) . Полученное выражение определяет минимальное значение угла. В общем случае величина углас может лежать в диапазонеarcsin(2sin Jt) J, , причем, прио(, arcsin(2sino-) применение элемента 4 постоянной толщины приводит к увеличению ширины изоляционного промежутка 5 в зоне отогнутой части модуля. Ширина промежутка 6 в этой зоне может быть уменьшена за счет утолщения отогнутой части элемента 4 и элемента 3. Как следует из выражения для ot, , Ы I- имеет место с1. Т1/d , т.е. конец элемента 4 должен быть отогнут к стенке 1 под прямым углом.При больших углах о1 () выражение для 01,не имеет смысла. Вариант реализации предлагаемого технического решения поясняется фиг. 5, на которой представлена конструкция канала МГД генератора при о(, П/6, а элементы 3 и 4 имеют равную и постоянную толпщну. В этом случае угол наклона концевой части 9 элемента 4о, не зависит от оС и принимает значение ТТ/2, При этом реализуется минимальный шаг секционирования стенки 1 и при применении для стенок 1 и 2.элементов 3 и 4 .постоянной толщины изоляционный промежуток 5 у средней части элемента 4 должен быть шире, чем у отогнутой части модуля. По аналогии с предыдущим случаем, ширина изоляционного промежутка 5 может быть уменьшена за счет утолщения средней части элемента 4. Таким образом, для угла наклона концевого участка 9 элемента 4ct, существует следующая связь с углом нак лона средней части модуля: arc8in(2sinot )ioc,y, j- , -,f , b..f. В предлагаемом канапе МГД генератора характер протекания тока и. распределения потенциала в потоке плаэм сохраняется таким же, как в обычных диагональных МГД генераторах. При этом отгиб концевых участков элементов 4 в сторону стенок (наличие элементов 9 и 10) соответствует оптимал ной конфигурации рамки, которая выра батывается для рамочных каналов в процессе достижения максимума выходной мощности. В этом случае, когда отгиб концов 9 элементов 4 осуществляется к элект родной стенке под прямым углом, появ ляется дополнительное технологическое преимущество, как и для варианта фиг. 2, элементы 3 электронной стенки 1 имеют прямоугольное поперечное сечение. Работа канала по .варианту фиг.3,4 5 происходит так же, как и по вариан там фиг.1и2. Предлагаемое техническое решение может быть применено не только 6 каналах МГД генераторов прямоугольного сечения, как это показано ka фиг.1-3, но -и в генераторах с любой геометрией поперечного сечения (круглых,эллиптических, овальных, многоугольных и пр.) . Возможно использование данного технического, решения для различных конструкций элеме нтов стенок 1 и 2 (фиг. 1-3). Например,элементы 3 и 4 могут иметь изогнутую непрямолинейную форму. Концевые участки канала с модулями сложной конфигзфации могут быть также выполнены иэ С-образных модулей. Конструктивное исполнение С-образ ных модулей может быть также разнообразным. Например, они могут быть изготовлены из круглых трубок, профилей переменного сечения и т.д. Следует отметить также, что переход от угла наклона средней части элемента 4 к углу наклона элемента 9 в точке соединения с электродной стенкой 1 может осуществляться как по ломаной линии с одним или несколькими изломами, так и по гладкой линии с переменньи радиусом кривизны.