Канал магнитогидродинамического генератора

 

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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„„SU„„905954 дц Н 02 К 44/12

5(ü

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ !

К АВТОРСКОМ .Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 2645820/24-25 (22). 12.07.78 (46) 15.08.82. Бюл. Ф 30 (71) Институт высоких температур АН

СССР (72) В.А. Битюрин, В.И. Максименко и С.А. Медин (53) 621.362:538.4(088.8) (56) Proc 15th Зубр.Eng. Asp.MGD.

Philadelphia Мау 24-26, 1976, p,р ТЧ

1.1 — IU 1.7.

Патент США У 3387150, кл.310-11, 1968. (54) (57) 1 . КАНАЛ МАГНИТОЩЦРОДИНАМИЧЕСКОГО ГЕНЕРАТОРА с диагонально проводящими стенками, образованными протяженными модулями иэ электропроводного материала, электрически изолированными друг от друга, о т л и ч а-. ю шийся тем, что, с целью повышения эффективности, протяженные модули выполнены С-образными и распо.ложены через один навстречу друг другу.

905954

Ка ал по п.1, отличаю наклона которых к оси канала с зашийся тем, что С-образные модули ключен в интервале выполнены из изолированных друг от друга элементов, соединенных между

arcsin(2sind.) о с — при О d.< —, П 1Г собой наружными перемычками.

Ы = — при +oc<—

2 6 2

3. Канал по п.1, о т л и ч а ю— шийся тем, что диагонально рас- где Ы вЂ” угол наклона к оси канала положенные участки С-образных модулей средней части С-образного выполнены с отогнутыми концами, угол модуля.

Изобретение относится к энергетике, а более конкретно к магнитогидродинамическому (ИГД) методу получения электроэнергии, в частности к каналу

МГД генератора, и может найти применение в ИГД генераторах, например, диагонального типа.

Известен канал кондукционного секционированного ИГД. генератора,содержащий электродные стенки и изоляционные стенки с протяженными моду- лями из электропроводного материала, изолированными друг от друга и расположенными под углом к продольной оси изоляционной стенки, и примыкающими к модулям на концевых участках эквипотенциальными переходными рлементами, причем изоляционная стенка канала на концевых участках снабжена, по крайней мере, одним 20 цополнительным модулем, имеющим Чобразный изгиб в сторону электродной стенки, от которой берет начало.

Известное техническое решение 25 имеет то преимущество, что используя на концевых учаСуках канала изогнутые

V-образно модули, можно управлять распределением электрических параметров и обеспечивать оптимальные или близ- gg кие к оптимальным выходные рабочие характеристики ИГД генератора. Кроме того, для диагональных МГД каналов с достаточно .малым углом наклона диагональных модулей Ч-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 огневая поверхность канала образована металлическими трубками прямоугольного или 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 эквипотенциальные переходные элементы, расположенные со стороны входного и выходного участков канала МГД генератора. Простое и достаточно технологичное решение известного канала МГД генератора обеспечивает его надежную и эффективную работу в определенном диапазоне рабочих параметров. Основным текнолоI гическим преимуществом рамочного какала является простота его конструкции, обусловленная тем, что канал такого типа содержит Минимальное число эквипотенциальных элементов, имеющих индивидуальное охлаждение

905954 водой. Это обстоятельство одновременно повышает надежность конструкции.

К недостаткам указанного технического решения следует отнести невысо- 5 кую 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 конструкции. Существование минимально допустимого шага секционирования ограничивает величину рабочего на- 15 пряжения канала, так как в МГД каналах, работающих на продуктах сгорания органических топлив, существуют предельные значения межэлектродных напряжений, при превышении которых 20 возникает межэлектродный электрический пробой, приводящий к снижению выходных характеристик канала и дуговой эрозии электродов и межэлектродных изоляционных промежутков. 25

Указанный недостаток особенно проявляется при малых углах наклона рамок к оси канала, которые необходимы для обеспечения высоких значений КПД 5О в генераторах промышленного назначения или достаточной эффективности в генераторах с малыми величинами па" раметра 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 O 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- SS логичность рамочной конструкции.

Целью изобретения является повышение эффективности.

Поставленная цель достигается тем, что протяженные модули выполнены 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 заключен в интервале

arcs in (2s in ы) о(6 — 0 <к

Tf 5 2 6 с = — при — сЫ i

П Tt %

2 6 2 о — угол наклона к оси канала средней части С-образного модуля. где

На фиг.1 показан предлагаемый канал, общий вид; на фиг.2 — С-образные модули с наружными перемычками; на фиг.3,4 и 5С-образные модули с отогнутыми концами диагональных участков.

Канал ИГД генератора содержит проводящие стенки 1 и 2, образованные протяженными модулями из электропроводного материала.

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 каж-дый. 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 ЭДС V x В, под действием которой в канале потечет электрический ток, направление которого будет зависеть от величины нагрузки, подключаемой к каналу.Нагружение канала осуществляется так же, как нагружение любого диагональ5 9059 ного канала. Например, нагрузка может быть подключена к входу и выходу канала. В случае оптимального нагружения канала средний по сечению продольный (холловский) ток на его активном участке равен нулю, и рабочии

5 ток в потоке протекает в основном в направлении ЭДС V x В, т.е. между горизонтальными 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 от условий течения (толщины пограничного слоя, температуры стенки, параметра Холла и др.).

В предлагаемом канале закорачива- 25 ние элементов 3 и 4 образует не замкнутые рамки, а С-образные эквипотенциальные модули. Поэтому электричесl кий ток, поступающий на нижний элемент 3 (катод) и на примыкающие к нему участки диагонального элемента

4, протекает вверх по диагональному элементу и возвращается в поток из верхнего элемента 3 (анода) ° Таким образом происходит протекание рабо" чего, тока от входа канала к его выхо-З5 ду и реализуется работа предлагаемого 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 диагональных каналах.

В предлагаемом канале шаг секционирования электра цной стенки вдвое меньше, чем в обычных диагональных каналах. Вследствие этого соответственно уменьшаются напряжение и ток на элемент 3 электродной стенки. В этой связи при одинаковом выходном напряжении сравниваемых каналов увеличивается надежность предлагаемого канала. С другой стороны, при одинаковых напряжениях между элементами 3 электродной стенки I содтветственно увеличивается выходное напряжение на нагрузке. При этом возрастает напряжение между диагональными элементами

4 модулей и возникает опасность

54

Ь 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 пропорциональна величине 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 превьппает таковое для элементов 3 стенки 1.

В связи с этим в канале обеспечивается надежная работа при повьппенном межмодульном и, соответственно, выходном напряжении, величина которого определяется параметрами потока и конструкцией канала.

При изготовлении канала из С-образных элементов, содержащих один канал для 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 проводящие 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

905954 закорачивающие элементы перемычки могут служить трубками для последовательного перепуска воды по трем элементам С-образного модуля от одного коллектора охлаждения. Технологическим преимуществом является существенное упрощение конструкции элементов

3, представляющих собой электроды, так как в рассматриваемом варианте элементы 3 выполняются из профилей 10 или пластин прямоугольного сечения и не содержат трудноохлаждаемых острых углов, которые существуют в обычном рамочном канале, например в известном. Изготовление канала из четырех 15 отдельных стенок значительно повышает его ремонтоспособность и существенно сокращает объем необходимых ремонтных работ при его эксплуатации.

На фиг. 3, 4, 5 предлагаемый канал20

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 электрод- 25 ным стенкам 1. На участках стенок 3, не занятых элементами 4 с отогнутыми концами 9, расположены проводящие элементы 10. Зазоры между модулями заполнены изоляционным непроводящим gp материалом. Применение изогнутых элементов 4 обладает тем преимуществом, что при соответствующем выборе углов наклона элементов 9 и 10 (описывается ниже) все проводящие элемен-О5 ты канала 3, 4, 9 и 10, а также изоляционные промежутки могут быть выполнены из профилей и пластин одинаковой ширины (в плоскости соответствующих стенок).

Угол наклона концевого участка 9 диагонального элемента 4 к электронной стенке 1d-„ зависит от угла наклона средней части элемента 4 к этой стенкео . В силу геометрических со- 45 отношений различают два варианта.Первый соответствует малым углам наклона средней части диагонального элемента лежащим в диапазоне значений

06с < —, В этом случае минимальный 50 шаг секционирования электродной стеньХ = 0 /2sina. с,=агсз1п(2здп а -).

Вариант реализации предлагаемого технического решения поясняется фиг. 5, на которой представлена конструкция канала МГД генератора при

d, >Tt/6, а элементы 3 и. 4 имеют равную и постоянную толщину. В этом случае угол наклона концевой части 9 элемента 4d не зависит от оС и принимает значение П /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 частй модуля. По аналогии с предыдущим случаем, ширина изоляционного промежутка 5 может быть уменьшена за счет утолщения средней части элемента 4. ки 1 определяется минимально допустимым поперечным размером элемента

4 и его углом наклона в средней час- > ти.

На фиг. 4 схематично показана конструкция участка стенок МГД генера8

О тора. Минимальный шаг секционирования стенки 1 6Х связан с шагом секционирования стенки 2 в средней частиЗ соотношением

При постоянной толщине элемента 4 этот шаг обеспечивается отгибом его конца 9 к стенке 1 под угломс1„, равным

Полученное выражение определяет минимальное значение угла. В общем случае величина углами может лежать в диа1 паз сне

arcs an(2s in Х) И - —2, 4 + причем, приЫ,> arcsin(2sin ) 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 sa счет утолщения отогнутой части элемента 4 и элемента 3.

Как следует из выражения для Ы, с = — имеет место d- = Tt/д, т.е.

lf

1 конец элемента 4 должен быть отогнут к стенке 1 под прямым углом.При больших углах с (N>lT/6) выражение для о,не имеет смысла.

Таким образом, для угла наклбна концевого участка 9 элемента 4, су905954 10 зь с глом нак- Предлагаемое техничес р ское решение ществует следующая связь с углом не только в каможет быть применено лона средней части модуля:

Х асс K налах МГД генераторов пр н п ямоугольного

6 сечения как это показано йа фиг 1-3 но и в генераторах с любой геометрией поперечного сечения (круглых,эл-1 2 0 а ! липтических, овальных, мн ли, ого гольных

В предлагаемом канале МГД генера.Возможно использование данного техпредел деления потенциала в потоке плазмы я азличных коннического. решения дл р и 2 сохраняется та таким же как в обычных струкци и элементов стенок и 4 . диагональных (1-3) Например элементM этом отгиб концевых участ о элемен4 в сторону стенок (наличие эл

9 10) соответствует оптималь1 о ая выра с модуля быть также выполнены иэ -о ра батывается для рамочн пс ных каналов в:.

I о— модулеи. о ессе достижения максимума вых д Конструктивное исполне о ние С-образ процессе до ет быть также разноной мощности. ных модулей может образным. Например, они могут быть

В этом случае, когда о тгиб концов о Рази ° изготовлены из круглых ру т бок профи9 тов 4 осуществляется к элект" переменного сечения и т.д. Следуэлементов появ- леи пе ехо от о ной стенке под прямым углом, ет отметить также, что пере д

mme ñÿ доп и хнологичес- ет отм части элемента

4 к углу наклона элемента 9 в точке иг. 2, элементы 3 электрон ной стенсоединения с электродно и стенкой 1 фиг. ки 1 имеют прямоугольное поперечное может осуществляться как по ломаной или несколькими излосечение. иг.3 4 линии с одним ил

Р о канал о варианту фиг.3, S происходит так же, как к И по вариан- мами, менным радиусом крив ивизны. там фиг. 1 и 2.

905954 фиг. 4

Редактор Е.Месропова Техред В.Кадар

Корректор И. Муска

Заказ 6593/1 Тираж 631 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб °, д,. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4