Magnetohydrodynamischer Generator Allgemein ausgedrückt, erzeugen magnetohydro- dynamische Generatoren (im folgenden MHD-Gene- ratoren genannt) elektrische Leistung durch die Bewegung eines elektrisch leitenden, flüssigen oder gasförmigen Mediums in bezug auf ein Magnetfeld. Das benutzte Medium besteht im allgemeinen aus einem elektrisch leitenden und heissen Hochdruckgas. Aus der Gasquelle strömt das Medium durch den Generator und erzeugt auf Grund der Bewegung in bezug auf das Magnetfeld eine EMK zwischen gegenüberstehenden Elektroden im Generator.
Das Gas wird in einen Behälter oder einfach in die Umgebungsluft entlassen oder in komplizierten An lagen zu einer Rückgewinnungseinrichtung mit Pum pen geleitet, die das Gas zur Quelle zurückführen.
Es können verschiedene Gase verwendet werden, beispielsweise einfach Luft oder auch inerte Gase wie Helium oder Argon. Um die elektrische Leitfähigkeit zu erhöhen, können die Gase auf eine hohe Tem peratur erhitzt oder mit einer Substanz vermischt werden, die bei der Betriebstemperatur des Genera- tors leicht eine Ionisation bewirkt. Als Beimischung kann Natrium, Pottasche, Zäsium oder ein anderer Alkalimetalldampf verwendet werden.
Ganz gleich, welches Gas und welche Beimischung verwendet wird, die resultierenden Gase bestehen aus einem Gemisch von Elektronen, positiven Ionen und neutralen Ato men, welches Gemisch der Einfachheit halber als Plasma bezeichnet wird.
Die Erfindung bezweckt als Hauptaufgabe die Schaffung eines verbesserten elektrischen Generators, der eine Leistung mit hoher Spannung erzeugen kann.
Die Erfindung betrifft einen magnetohydrodyna- mischen Generator zur Erzeugung von elektrischer Energie mittels eines durch einen Kanal hindurch strömenden, elektrisch leitenden Gases, mit Mitteln zum Erzeugen eines magnetischen Flusses. durch den Kanal in einem Winkel zur Richtung der Gasströ mung, und mit im Kanal angeordneten Einzelelek- troden, die mit dem Gasstrom in Berührung stehen.
Der erfindungsgemässe Generator ist dadurch ge kennzeichnet, dass im Kanal Endelektroden vor und hinter den Einzelelektroden angeordnet sind, dass die Einzelelektroden an gegenüberliegenden Seiten des Kanals vorgesehen sind, dass schräg gegenüberlie gende Einzelelektroden elektrisch miteinander ver bunden sind, um den durch die Bewegung des Gas stroms relativ zum Magnetfeld erzeugten elektri schen Strom zu leiten, das Ganze derart, dass die Endelektroden den durch die Einzelelektroden flie ssenden Strom empfangen.
Anhand der Zeichnung werden nachstehend Aus führungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigen: Fig.l eine schematische Darstellung eines be kannten MHD-Generators, Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine Ausführungs- form eines MHD-Generators nach der Erfindung, Fig. 3 einen Querschnitt durch den MHD-Genera- tor nach der Linie 3-3 in der Fig. 2,
Fig.4 eine Darstellung einer Abwandlung des in der Fig. 2 dargestellten MHD-Generators in Form eines der Fig. 3 ähnlichen Querschnittes und die Fig.5 eine graphische Darstellung der Span nungsbedingungen im vorliegenden MHD-Generator. Zum Verständnis der Erfindung werden die all gemeinen Grundzüge erläutert, nach denen ein MHD-Generator arbeitet. Zu diesem Zweck ist in der Fig. 1 ein solcher bekannter Generator schema tisch dargestellt.
Der Generator weist einen sich ver engenden, allgemein mit 1 bezeichneten Kanal auf, in den ein heisses, unter hohem Druck stehendes und elektrisch leitendes Plasma eingelassen wird, wie durch den Pfeil bei 2 angedeutet, aus welchem Kanal das Plasma in Richtung des Pfeiles 3 austritt. Der Druck am Auslass des Kanals ist niedriger als am Eimass, weshalb das Plasma sich durch den Kanal in Richtung des Pfeiles 4 mit hoher Geschwindigkeit bewegt.
Durch geeignete Wahl des Druckunterschie des und der Form des Kanals kann bewirkt werden, dass das Plasma den Kanal mit im wesentlichen gleich bleibender Geschwindigkeit durchströmt, welche Gleichmässigkeit für das Arbeiten des Generators erwünscht, jedoch nicht unbedingt erforderlich ist. Aussen am Kanal ist ein fortlaufender elektrischer Leiter in Form einer Spule 5 vorgesehen, durch den ein Gleichstrom aus irgendeiner herkömmlichen Gleichstromquelle oder aus dem Generator selbst geleitet wird. Der durch die Spule fliessende elektri sche Strom erzeugt im Kanal einen Magnetfluss, der senkrecht zur Richtung der Plasmaströmung und zur Ebene des Papiers liegt.
Im Kanal sind einander gegenüberstehende Elek troden 6 und 7 angeordnet. Diese Elektroden verlau fen im Innern des Kanals parallel zur Richtung der Plasmaströmung und senkrecht zur Richtung des Magnetflusses. Das sich mit hoher Geschwindigkeit durch das Magnetfeld bewegende elektrisch leitende Plasma erzeugt eine EMK zwischen den Elektroden, wie durch die Pfeile 8 angedeutet. Die Elektroden 6 und 7 stehen über den Leiter 9 mit einem Belastungs kreis in Verbindung, durch den unter der Einwir kung der zwischen den Elektroden entstehenden EMK ein elektrischer Strom fliesst.
Da Elektronen leichter als Ionen sind und des halb beweglicher, so führen sie im allgemeinen den grössten Anteil des Stromes im MHD-Generator. Da das Magnetfeld auf die bewegten Ladungsträger Kräfte ausübt, so werden natürlich die Elektronen von diesen Kräften am meisten beeinflusst.
Der zwischen den Elektroden erzeugte Elektro nenstrom ist proportional dem Produkt aus der Ge schwindigkeit des Plasmas und der Stärke des Ma gnetfeldes. Das Magnetfeld wirkt auf den Strom ein und erzeugt eine Kraft, die die Bewegung der Elek tronen längs des Kanals mit dem Rest des Plasmas zu verzögern sucht. Die Ionen anderseits, deren Masse viel grösser ist als die der Elektronen, werden bei der Bewegung im Magnetfeld nur von relativ kleinen Kräften beeinflusst und werden mit dem Plasma stromabwärts fortgetragen. Hierbei erfolgt eine Trennung der Ladungen, die zur Erzeugung eines elektrischen Feldes längs des Kanals führt.
Die ses Längsfeld wird häufig Hall-Feld genannt, da die auftretenden Erscheinungen denen gleichen, die die Ursache für den sogenannten Hall Effekt sind. Das zum Hall-Feld gehörende Potential kann Hall-Potential genannt werden.
Die auf die Elektronen einwirkenden Kräfte wer den von den Elektronen auf den Rest der Plasma- partikel durch Zusammenstoss übertragen. Weiterhin wird die Bewegung der Plasmapartikel durch Zu sammenstoss mit den Ionen verzögert, die, obwohl sie mit dem Rest des Plasmas in der Strömungs richtung weggeführt werden, vom elektrischen Feld verzögert werden, das zwischen diesen und den Elek tronen, die stromaufwärts liegen, besteht.
In einem MHD-Generator von der in der Fig. 1 dargestellten Ausführung erzeugt das Hall-Potential einen Ausgleichsstrom im Innern des Generators in dessen Längsrichtung. Dies erfolgt, da sich das Hall- Potential über die Elektroden ausgleichen kann. Wird dieser Ausgleichskurzstrom verhindert, so steigt das Hall-Potential bis zu einem endlichen Wert an, da im Generator Gleichgewichtsbedingungen ge schaffen werden. Die eine Möglichkeit, einen Kurz schluss zu verhindern, besteht darin, die Verwendung ununterbrochener Elektroden zu vermeiden.
Bei dem Ausführungsbeispiel der Erfindung nach Fig.2 wer den einzelne, voneinander elektrisch isolierte Elek- trodenpaare benutzt, wie nunmehr anhand der Fig. 2 näher beschrieben wird.
Wie aus dieser Figur zu ersehen ist, weist der Generator einen allgemein mit 20 bezeichneten Kanal auf, in den ein heisses, unter hohem Druck stehendes und elektrisch leitendes Plasma eingelassen wird, wie durch den Pfeil 21 angedeutet, das den Kanal in Richtung des Pfeiles 22 verlässt. Aussen am Kanal ist ein fortlaufender Leiter in Form einer Spule 23 vorgesehen, durch die ein Strom aus einer herkömm lichen Stromquelle oder aus dem Generator selbst ge leitet wird. Der in der Wicklung fliessende Strom erzeugt einen den Kanal senkrecht zur Papierebene durchziehenden Magnetfluss. Die Form und Anord nung der Wicklung wird später ausführlich beschrie ben.
Am oberen und unteren Teil des Kanals sind mehrere einzelne Elektroden 30-45 und 50-65 vor gesehen. In der Nähe des Einlasses und des Aus- lasses des Kanals sind je zwei einander gegenüber stehende Endelektroden angeordnet, von denen je eine bei 70 und 71 dargestellt ist. Diese Endelektro- den sind über den Leiter 72 mit der Belastung 73 verbunden.
Zuerst wird darauf hingewiesen, dass gewisse diagonal gegenüberstehende Elektroden miteinander elektrisch verbunden sind. Beispielsweise ist die obere Elektrode 30 über den Leiter 74 mit der unteren Elektrode 50 elektrisch verbunden. In derselben Weise sind die Elektroden 31 und 51 und die folgen den bis zu den Elektroden 45 und 65 miteinander verbunden. Es wird darauf hingewiesen, dass die Enden von je zwei miteinander verbundenen Elektro den in einer Ebene liegen, die schräg zur Richtung des den Kanal durchströmenden Plasmas liegt.
Die Schräglage dieser Ebenen und die der Endelektroden 70 und 71 wird später ausführlich erläutert. Aus der Fig. 3 ist zu ersehen, dass der Kanal einen allgemein rechteckigen Querschnitt aufweisen kann, und dass die Endelektrode 70 mit der Endelektrode 71 an der gegenüberliegenden Wand des Kanals über die Last elektrisch verbunden ist. Gleich den Elektroden 30-45 und 50-65 sind alle- Endelektro- den von der Kanalwand elektrisch isoliert.
Infolge des Hall-Potentials, das in der Längsrich tung des Kanals besteht, treten Elektronen aus der Plasmaströmung in die Endelektrode 70 und in die dieser gegenüberliegende Endelektrode (nicht darge stellt) ein, fliessen durch den Belastungskreis zu den Endelektroden 71 und 71a und treten von diesen Elektroden aus wieder in den Plasmastrom ein. Auf Grund dieser Elektronenbewegung können die am Anfang des Kanals liegenden Endelektroden als Anoden und die am Kanalende liegenden End- elektroden als Kathoden angesehen werden.
In die sem Sinne dienen die Einzelelektroden 50-65 eben falls als Anoden und die Elektroden 30-4.5 eben falls als Kathoden, da die Elektronen von den Elek troden (Kathoden) 30-4.5 emittiert und aus der Gasströmung von den Elektroden (Anoden) 50 bis 65 empfangen werden. Das Magnetfeld wird dabei senkrecht zur Richtung der Plasmaströmung und senkrecht zur Papierebene erzeugt. Entsprechend der herkömmlichen Schreibweise ist das Magnetfeld in der Fig.2 mit einem eingekreisten Pluszeichen ver sehen, womit ausgedrückt wird, dass die Flusslinien (Kraftlinien) in die Papierebene hinein gerichtet sind.
Die Elektroden können aus vielen verschiedenen Materialien, Metallen und Nichtmetallen beispiels weise aus Graphit, Kupfer, nichtrostendem Stahl, Wolfram usw. hergestellt werden. Je nach der Tem peratur des Plasmas können die Elektroden gekühlt werden, wobei durch das Innere der Elektroden ein Kühlmittel in Umlauf gesetzt wird (nicht dargestellt). Dabei werden die Anoden bis unter die Elektronen emissionstemperaturen abgekühlt, während die Ka thoden reit einer Temperatur arbeiten, die zur Auf rechterhaltung einer beständigen Elektronenemission ausreicht.
Die Bewegung des elektrisch leitenden Plasmas an je zwei gegenüberstehenden Elektroden vorbei erzeugt im Plasma ein Potentialgefälle zwischen die sen Elektroden, das proportional dem Produkt aus der Gasgeschwindigkeit und der Stärke des Magnet feldes ist. Unter der Einwirkung dieses Potentials fliesst zwischen den Elektroden ein Strom. Ohne Ein schränkung sei angenommen, dass die Geschwindig keit des Plasmas und die Stärke des Magnetfeldes über die Länge des Kanals hinweg konstant bleibt.
Unter diesen Bedingungen ist das quer zum Kanal zwischen je zwei gegenüberstehenden-Elektroden er zeugte Spannungsgefälle im wesentlichen gleich; da jedoch das Hall-Potential längs des Kanals vorhan den ist, ist das mittlere Potential des letzten Elek- trodenpaares positiver als das des ersten Elektroden paares.
Daher ist- das mittlere Potential von irgend einem Paar gegenüberstehender Elektroden positi ver als das mittlere Potential vön -=gegenüberstehen den Elektroden, die bezüglich dem erwähnten Paar weiter stromaufwärts liegen. Diese Tatsache ist in der Fig.5 dargestellt,
die in graphischer Form die Potentialdifferenz in der Plasmaströmung zwischen aufeinanderfolgenden Paa ren von gegenüberstehenden Elektroden zeigt. Bei spielsweise zeigt der Balken A die Potentialdifferenz zwischen den Elektroden 33 und 50, wobei die Num mern der hier betrachteten Elektroden an den Enden des Balkens angegeben sind. Ebenso zeigen die Bal ken B-D die Potentialdifferenz zwischen den gegen überstehenden Elektroden 34-51 und 35-52 sowie 36-53.
Obwohl die Potentialdifferenz zwischen ge genüberstehenden Elektroden nahezu konstant ist, wird darauf hingewiesen, dass das Potential der auf einanderfolgenden Elektroden längs jeder Seite des Kanals zwangläufig vom Einlass zum Auslass hin an steigt. Der waagrechte Abstand der Balken zeigt den Abstand der Elektroden -längs des Kanals. Das mit den gestrichelten Linien E und F längs. der oberen und unteren Enden der Balken dargestellte Span nungsgefälle zeigt das Hall-Potential längs des Kanals.
Durch geeignete Bemessung der Abstände der Elektroden voneinander und: deren Anordnung längs des Kanals kann erzielt werden, dass das Potential der gestaffelt gegenüberstehenden Elektroden das selbe bleibt. In diesem Falle ist das Potential der Elektrode 53 gleich dem Potential der Elektrode 33. Da diese Elektroden das gleiche Potential auf weisen, so können sie durch einen Leiter 33a mit- ,einander verbunden werden. Ebenso können die Elek troden 34 und 54 durch einen Leiter 34a und alle übrigen Elektroden - an den gegenüberliegenden Sei ten des Kanals diagonal miteinander verbunden wer den.
In der Plamaströmung des Kanals ist jede Ebene, die die elektrisch miteinander verbundenen Elektro den. enthält, eine Ebene konstanten Potentials. Eine solche Ebene konstanten Potentials ist in der Fig. 5 durch die gestrichelte Linie G dargestellt. Diese Linie durchschneidet die verschiedenen Balken A-D und zeigt an, dass an Stellen zwischen den Gruppen ge genüberstehender Elektroden ein konstanter Poten tialwert besteht.
Im Falle der Balken <I>A</I> und<I>D</I> weisen die Elektroden 33 und 53 selbst das gleiche kon stante Potential auf, wie bereits erwähnt. Im Falle der Balken B und C liegen die Stellen konstanten Potentials im Plasma zwischen den zugehörigen ge genüberstehenden Elektroden. Hieraus ist zu erse hen, dass längs _des Kanals mehrere Ebenen kon stanten Potentials vorhanden sind.
Ferner ist -einzusehen, dass die Endelektroden 70 und 71 - wegen ihrer Schräglage in bezug auf den Kanal entsprechend der Schräglage der elektrisch mit einander verbundenen Elektroden gleichfalls in Ebe nen konstanten Potentials liegen. Das Potential der Endelektrode 71 ist jedoch höher als das Potential der. Endelektrode 70, da das Hall-Potential längs des Kanals verläuft, sowie höher als das zwischen gegen überstehenden Elektroden erzeugte Potential. Wird an die Endelektroden eine Belastung angeschlossen, so kann, wie bereits erläutert, die Potentialdifferenz dazu benutzt werden, einen Strom durch die Bela stung zu ziehen.
Das an der Endelektrode 70 liegende konstante Potential ist in der Fig.5 durch die gestrichelte Linie H dargestellt. Das Potential der Elektroden 30, 31 und 32 liegt über dem Potential H, und es werden Elektronen aus den einzelnen Elektroden zur Endelektrode geleitet. Es wird darauf hingewiesen, dass die erzeugte Energie aller Elektrodenpaare addiert und den Endelektroden zugeführt wird.
Daher kann ein Generator der beschriebenen Art nicht nur Energie mit hoher Spannung erzeugen, sondern auch erhebliche Mengen von Energie einer gemeinsamen Belastung zuführen. Bei anderen Generatoren mit einer Vielzahl von Elektroden müssen mehrere Bela stungskreise vorgesehen werden, um die Ausgangs leistungen gesonderter Teile des Generators mitein ander zu vereinigen.
Dadurch werden zusätzliche Lei ter erforderlich und bei Versorgung einer einzigen Belastung auch besondere Kreise wie Spannungs teiler, sowie Mittel zum Umwandeln von Gleich strom in Wechselstrom, damit die Leistungen mit einander vereinigt und einer einzelnen Belastung zugeführt werden können.
Der senkrechte Abstand y und der waagrechte Abstand x zwischen den elektrisch miteinander verbundenen Einzelelektroden (Fig. 2) kann nach der folgenden Formel berechnet werden:
EMI0004.0021
wobei w = Elektronenzyklotronfrequenz Radian/sec t = mittlere freie Zeit der Elektronen in Sekunden e
EMI0004.0025
= elektrischer Wirkungsgrad des Gene- rators Ey = Spannungsgefälle zwischen gegenüberstehenden Elektroden Voltmeter u = makroskopische Plasmageschwindigkeit (meter/sec) B = magnet. Feldstärke (Weber/meter2) ist.
Die Abmessungen x und y sind in der Fig. 2 dargestellt. Erhöht sich y infolge der Erweiterung des Kanals, so erhöht sich notwendigerweise die Abmes sung x proportional; wie in der Fig. 2 dargestellt, ist das Ausmass der Erhöhung sehr gering. Wenn ge wünscht, kann die Feldstärke so eingeregelt werden, dass diese dimensionalen Schwankungen kompensiert werden, wodurch die Potentialdifferenzen zwischen den Elektroden im wesentlichen konstant gehalten werden können.
Der Winkel<I>0 der</I> Endelektroden, der zugleich der Winkel der Ebenen konstanten Potentials ist, kann nach der folgenden Formel berechnet werden: 0 = tangens-1 (y/x) -_ (2) Der Winkel O ist in die Fig.2 gleichfalls einge zeichnet.
Aus der Fig. 2 ist zu ersehen, dass die Endelek- trode 70 der zwischen den Elektroden 30, 31 und 32 und der gegenüberliegenden Seite des Kanals lie genden Ebene konstanten Potentials folgt.
Bekanntlich wird die Arbeit eines jeden Genera- tors durch Wirbel- oder vagabundierende Ströme beeinträchtigt. Bei MHD-Generatoren erhöhen Wir belströme den Druckabfall am Generator, der für eine gegebene Ausgangsleistung aufrechterhalten werden muss. Es ist deshalb erwünscht, wenn irgend möglich Wirbelstromverluste auszuschalten oder ge ring zu halten.
Wie in der Fig. 2 dargestellt, können Wirbelströme am Eingang und Ausgang des Gene- rators dadurch klein gehalten werden, dass das Ma gnetfeld soweit möglich längs der Ebenen gleichen Potentials der Endelektroden 70 und 71 begrenzt wird. Wie aus der Fig.2 zu ersehen ist, sind die Enden der Magnetwicklung 23 schräg angeordnet, so dass deren Lage der der Endelektroden 70 und 71 entspricht.
Auf diese Weise werden keine Poten tialflächen erzeugt, die sich in eine ausserhalb des Magnetfeldes liegende Region hineinerstrecken (doch innerhalb der Plasmaströmung liegen), weshalb .in dieser Region kein elektrisches Feld besteht, das Wirbelströme verursachen könnte.
Die Fig. 3 zeigt einzelne Reihen von Elektroden am oberen und unteren Teil des Generatorkanals. Es versteht sich jedoch, dass anstelle einzelner Reihen von Elektroden mehrere Reihen verwendet werden können. Dadurch wird die Arbeit des Generators verbessert und der Fluss des Stromes wirksamer über die ganze Breite des Kanals hinweg verteilt. In der Fig.4 sind daher zwei Reihen von Elektroden 78 bis 78a und 79-79a im oberen und unteren Teil des Kanals dargestellt. Diese können parallel geschal tet werden, da deren Ausgangsleistungen miteinan der vereinigt und durch einen gemeinsamen Leiter 80 geleitet werden.
Die anhand der Fig. 2 und 3 beschriebenen End- elektroden bestehen aus langgestreckten, elektrisch lei tenden Stäben, die an den Seitenwandungen des Generatorkanals angebracht sind, wie besonders in der Fig.3 dargestellt. Da jedoch über die ganze Breite des Kanals hinweg eine Ebene konstanten Potentials besteht, ist es möglich, die Elektrodenstäbe durch mehrere Elektroden zu ersetzen, wie in der Fig.4 dargestellt.
Nach dieser Figur sind die Elek troden 81, 82, 83 und 84 in die Seitenwandung 85 des Kanals eingesetzt und durch einen Leiter 86 miteinander verbunden. Diese Elektroden erstrecken sich in die Plasmaströmung hinein und liegen längs einer Ebene konstanten Potentials und dienen zu sammen als eine einzige Endelektrode. Ebenso können die Einzelelektroden 81a-84a an den ent sprechenden Stellen der gegenüberliegenden Wan dung des Kanals vorgesehen werden und miteinan- der elektrisch verbunden werden, so dass sie als eine einzige Endelektrode dienen.
Zwischen den direkt gegenüberliegenden Elek troden 81 und 81a verlaufen in der Fig.4 gestri chelte Linien 87, die andeuten sollen, dass es mög lich ist, eine ununterbrochen verlaufende Stabelek- trode zu verwenden, die sich ganz über die Breite des Kanals hinwegerstreckt und demselben Zweck dient, wie die Einzelelektroden 81 und 81a. Elektro den wie die in der Fig.4 dargestellten, die in die Plasmaströmung hineinragen, schaffen einen direk teren Pfad für den Strom aus dem Plasma, behin dern in gewissem Ausmass die Plasmaströmung und unterlieg: n der Erosion.
Ganz gleich, welche Form bei den Endelektroden verwendet wird, sie werden im Kanal so angeordnet, dass sie in Ebenen kon stanten Potentials liegen und einen Stromfluss vom Generator aus zum Belasiungskreis ermöglichen.
Aus der vorstehenden Beschreibung einer bevor zugten Ausführungsform der Erfindung ist zu er sehen, dass eine neuartige Form eines MHD-Gene- rators geschaffen wurde, die grosse Mengen elektri scher Energie mit einem hohen Potential erzeugen kann. Der Generator ist durch einen äusserst einfachen Auf bau gekennzeichnet, der ein zuverlässiges Arbeiten ver bürgt, wobei das in einem solchen Generator herr schende Hall-Potential mit Vorteil ausgenutzt wird. Anstatt dass das Hall-Potential das Arbeiten des Generators behindert, trägt es tatsächlich zur Wirk samkeit bei.