Канал магнитогидродинамического генератора

(50 Н 02 К 44/12 ДЮ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ 1 К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(О и ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(71) Институт высоких температур АНСССР(54) (57) 1. КАНАЛ МАГНИТОГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО ГЕНЕРАТОРА с диагональнопроводящими стенками, образованнымипротяженными модулями иэ электропроводного материала, электрически изолированными друг от друга, о т л и ч а-.ю щ и й с я тем, что, с целью повышения эффективности, протяженные модули выполнены С-образными и распо.ложены через один навстречу другдругу.905954Ка ал по п.1, отличаюнаклона которых к оси канала,С защ и й с я тем, что С-образные модули ключен в интервале выполнены из изолированных друг отдруга элементов, соединенных между агсзгп(2 з 1 псА) (о с - при 0- ,П П собой наружными перемычками.Ы = - при "(се( -62 6 2 ф3. Канал по п.1, о т л и ч а ю -щ и й с я тем, что диагонально рас- где Ы - угол наклона к оси канала положенные участки С-образных модулей средней части С-образного выполнены с отогнутыми концами, угол модуля.1Изобретение относится к энергетике, а более конкретно к магнитогидродинамическому МГД) методу получения электроэнергии, в частности к каналу МГД генератора, и может найти приме нение в МГД генераторах, например, диагонального типа.Известен канал кондукционного секционированного МГД, генератора,содержащий электродные стенки и изоля ционные стенки с протяженными моду-лями из электропроводного материала, изолированными друг от друга и расположенными под углом к продольной оси изоляционной стенки, и при мыкающими к модулям на концевых участках эквипотенциальными переходными длементами, причем изоляционная стенка канала на концевых участках снабжена, по крайней мере, одним 20 цополнительным модулем, имеющим Ч- образный изгиб в сторону электродной стенки, от которой берет начало. Известное техническое решение25 имеет то преимущество, что используя на концевых учаСках канала изогнутые Ч-образно модули, можно управлять распределением электрических параметров и обеспечивать оптимальные или близ- З 0 кие к оптимальным выходные рабочие характеристики МГД 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,1Недостатком 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 текнологическим преимуществом рамочного какала является простота его конструкции, обусловленная тем, что канал такого типа содержит Минимальное число эквипотенциальных элементов, имеющих индивидуальное охлаждениеводой. Это обстоятельство одновременно повышает надежность конструкции.К недостаткам указанного технического решения следует отнести невысо 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 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 эрозииэлектродов и межэлектродных изоляционных промежутков, 25 Указанный недостаток особенно проявляется при малых углах наклона рамок к оси канала, которые необходимы для обеспечения высоких значений КПД 50 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 ка" нала вдоль его оси может оказаться весьма большим. Это приводит ко второму недостатку, связанному с появляющейся трудностью охлаждения стенки, перпендикулярной к диагональной стенке и называемой условно электродной стенкой. При малых углах наклона рамки удельная поверхность электродной45 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 логичность рамочной конструкции.Целью изобретения является повышение эффективности.Поставленная цель достигается тем, что протяженные модули выполнены С- образными 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 1 заключен в интервале агсз 1 п(281 п о)соб - О ск с 5 2 ф 6с = - при - сс ( П 1 Г % 1 2 6 2 сс - 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 5- С-образные модули с отогнутыми концами диагональных участков.Канал МГД 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 каждый. Расположены модули вдоль канала через один навстречу друг другу элементами 3. Зазоры 5 между С-образными модулями заполнены изоляционным не- проводящим 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 7 в направлении стрелки 7. При этом в потоке возникает ЭДС Ч х 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 диагональ% 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 рабочии5 ток в потоке протекает в основном в направлении ЭДС 7 х 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 ние элементов 3 и 4 образует не замкнутые рамки, а С-образные эквипотенциальные модули. Поэтому электрический 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-З 5 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 электрщной 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 напря" женин сравниваемых каналов увеличи О вается надежность предлагаемого канала, С другой стороны, при одинаковых напряжениях между элементами 3 электродной стенки 1 содтветственно увеличивается выходное напряжение на нагрузке.При этом возрастает напряжение между диагональными элементами 4 модулей и возникает опасность 54Ьэлектрического 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, величинакоторых 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 диагональнымиэлементами 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 иконструкцией канала.При изготовлении канала из С-образных элементов, содержащих один канал для охлаждающей воды, интенсивность охлаждения электродных стенокувеличивается, по меньшей мере, в двараза.Предлагаемое техническое решениезадачи может быть реализовано в различных вариантах исполнения.На фиг. 2 представлен вариант выполнения С-образных модулей, образующих проводящие стенки 1 и 2 каналаМГД генератора в виде изолированныхдруг 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 решенияпо фиг. 2 позволяет изготавливать канал из отдельных стенок (двух электродных и двух боковых)При этом всепроводящие элементы этих стенок имеютиндивидуальное водяное охлаждение, а905954 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 канал 20 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 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 30 материалом. Применение изогнутых элементов 4 обладает тем преимуществом, что при соответствующем выборе углов наклона элементов 9 и 10 (описывается ниже) все проводящие элементы канала 3, 4, 9 и 10, а также изоляционные промежутки могут быть выполнены из профилей и пластин одинаковой ширины (в плоскости соответствующих стенок).40Угол наклона концевого участка 9 диагонального элемента 4 к электронной стенке 1 с- зависит от угла наклона средней части элемента 4 к этой стенкеЫ , В силу геометрических со отношений различают два варианта.Первый соответствует малым углам наклона средней части диагонального элементалежащим в диапазоне значений 10 сс - , В этом случае минимальный 50 шаг секционирования электродной стенЫ,=агся 1 п(2 ядп б-). Вариант реализации предлагаемого технического решения поясняется фиг. 5, на которой представлена конструкция канала МГД генератора при ы н /6, а элементы 3 и. 4 имеют равную и постоянную толщину, В этом случае угол наклона концевой части 9 элемента 4 о не зависит от оС и принимает значение Н /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 генера 8Отора. Минимальный шаг секционирования стенки 1 6 Х 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 угломс, рав- ным Полученное выражение определяет минимальное значение угла, В общем случае величина углаЫ может лежать в диа 1паз сне агсяп(2 я 1 п Х) Иу- -причем, приЫ,агсяп(2 ятпо) применение элемента 4 постоянной толщиныприводит к увеличению ширины изоляционного промежутка 5 в зоне отогнутойчасти модуля. Ширина промежутка 6 вэтой зоне может быть уменьшена засчет утолщения отогнутой части элемента 4 и элемента 3. Как следует из выражения для Ы, с = - имеет место с- = Я Й, т.е.%6конец элемента 4 должен быть отогнут к стенке 1 под прямым углом.При больших углах с (о 11"/6) выражение для о,не имеет смысла. Таким образом, для угла наклбна концевого участка 9 элемента 4 Ф, су905954 10зь с глом нак- Предлагаемое техничес Рское решениеществует следующая связь с угломне только в каможет быть примененолона средней части модуля:Х соус Е налах МГД генераторов прн п ямоугольного6ения как это показано йа фиг 1-3но и в генераторах с любой геометрией поперечного сечения (круглых,эл 2 6 слиптических, овальных, мнли , ого гольныхВ предлагаемом канале ИГД генератора характер протекания тока и. Рас" .Возможно использование данного техпределделения потенциала в потоке плазмыя азличных коннического,решения дл ри 2сохраняется татаким же как в обычныхструкци й элементов стеноки 4) оответствует оптималь " астко ая выра- с модуляв котораябатывается для рамочн жных каналов в:.Ф ьюо -модулеи.о ессе достижения максимума вых дКонструктивное исполнео ние С-образ -процессе доет быть также разноной мощности.ных модулей можетобразным. Например, они могут бытьВ этом случае, когда о тгиб концов о разиизготовлены из круглых Рут бок профи 9 тов 4 осуществляется к элект- из" переменного сечения и т,д. Следуэлементовпояв- леи пеехо ото ной стенке под прямым углом,ет отметить также, что пере дхнологичес" ет отмчасти элемента4 к углу наклона элемента 9 в точкеиг. 2, элементы 3 электрон ной стенсоединения с электродно й стенкой 1фиг.ки 1 имеют прямоугольное поперечное соеможет осуществляться как по ломанойили несколькими излосечение.иг.3 4 линии с одним илпо в рианту фиг5 происходит так же, какк И по вариан- мами,ЗО менным радиусом крививизны.там фиг. 1 и 2.905954 7 фиг,4 опова Техред В. Кадар Корректор И Мус Редактор Е 3 П СР сн ираж рств изобре а, Ж4/ ос венно-полиграфическое предприяти жгород, ул. Проектная,в каз 6593/1ВНИИ Госулам ного комитетний и открытРаушская на