Einrichtung zum Erzeugen von Wechselstrom mittels eines magnetohydrodynamischen Generators Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Er zeugen von Wechselstrom mittels eines magnetohy- drodynamischen Generators (im folgenden kurz MHD-Generator genannt).
Für MHD-Generatoren besteht heutzutage sehr grosses Interesse. Solche Generatoren erzeugen elek trische Energie durch Relativbewegung von elektrisch leitendem Fluidum zu einem magnetischen Feld. Das verwendete Fluidum ist gewöhnlich ein ionisiertes Gas aus einer Hochdruckquelle hoher Temperatur. Das Fluidum strömt von der Quelle durch den Gene rator und erzeugt infolge seiner Relativbewegung zu dem magnetischen Feld eine elektromotorische Kraft zwischen sich gegenüberliegenden Elektroden in dem Generator.
Das Gas kann einfach in die Atmosphäre ausströmen oder in komplizierteren Anlagen zu einem Rückgewinnungssystem abströmen, das Pumpvorrich- tungen zur Rückführung des Gases an die Quelle ent hält. Leitfähigkeit des Gases kann thermisch oder durch Impfen des Gases mit einer Substanz hervor gerufen werden, die bei der Betriebstemperatur des Generators leicht ionisiert. Zum Impfen können Na trium-, Kalium-, Caesium- oder ein Alkalimetall- dampf verwendet werden.
Unabhängig von dem ver wendeten Gas oder von dem Impfverfahren bilden die entstehenden Gase ein Gemisch aus Elektronen, positiven Ionen und neutralen Atomen, das konven tionell als Plasma bezeichnet werden kann.
Ein MHD-Generator des beschriebenen Typs ver wendet normalerweise ein stationäres magnetisches Feld und eine in einer Richtung verlaufende Gas strömung. Infolgedessen ist ein solcher Generator von Natur aus eine Gleichstromquelle. Wenn Wechsel strom benötigt wird, ist gewöhnlich eine gewisse Form einer Hilfseinrichtung vorhanden, um den Gleich strom in Wechselstrom umzuwandeln. In neuer- dings vorgeschlagenen kommerziellen Anlagen hat die Wechselrichtungseinrichtung die Form von Queck- süberlichtbogengleichrichtern erhalten.
Obgleich dies durchführbar ist, haben solche Wechselrichter ver hältnismässig hohe Anlagekosten und beträchtliche Energieverluste, die den Gesamtwirkungsgrad der Anlage nachteilig beeinflussen. Theoretisch kann zwar Wechselstrom dadurch erzeugt werden, dass man den Gasstrom beim Durchlaufen eines MHD-Generators in Impulsform bringt und/oder die Richtung des magnetischen Feldes periodisch umkehrt. Praktisch sind jedoch solche theoretischen Lösungen nicht ge bräuchlich.
Infolgedessen ist die Aufmerksamkeit auf spezielle Konstruktionen von MHD-Generatoren und auf vereinfachte Hilfseinrichtungen gerichtet worden, die mit den Generatoren zusammenarbeiten können, so dass Wechselstrom in wirtschaftlicherer und leich terer Weise erhalten werden kann.
Die erfindungsgemässe Einrichtung zum Erzeugen von Wechselstrom ist dadurch gekennzeichnet, dass ein magnetohydrodynamischer Generator vorgesehen ist, der eine elektromotorische Kraft erzeugt, und der einen Kanal enthält, der einen elektrisch leitenden Gasstrom führt, dass Mittel vorgesehen sind, um ein konstantes magnetisches Feld zu erzeugen, das quer zur Gasbewegungsrichtung durch den Kanal verläuft, derart, dass die Grösse der elektromotorischen Kraft im Kanal praktisch sinusförmig um die Achse des Kanals ändert, dass im Kanal Elektroden angeordnet sind, die über Kopplungsmittel mit einem Ausgangs kreis verbunden sind und welche Elektroden in ihrer Lage bezüglich dem magnetischen Feld feststehend sind,
dass diese Elektroden einander radial gegen überliegend im Kanal angeordnet sind, und dass zur Erzeugung von Wechselstrom im Ausgangskreis aus Einzelströmen von verschiedener Grösse, die zuein- ander entgegengesetzt liegenden Elektrodenpaare von dem Kopplungsmittel der Reihe nach mit dem Aus gangskreis verbunden werden.
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine vereinfachte schematische Darstellung eines MHD-Generators, Fig. 2 eine vereinfachte und teilweise als Schnitt gezeichnete, schematische Darstellung eines MHD- Generatorkanals und von Elektroden zur Erzeugung unterschiedlicher Ströme unter dem Einfluss der elek tromotorischen Kraft in dem Kanal, Fig. 3 ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung eines Typs des MHD-Wechselstromerzeugungssy- stems,
Fig. 4 eine abgebrochen gezeichnete, perspektivi sche Ansicht einer Einrichtung mit Schleifringen, einem Kommutator und einem Antriebsmotor, bei der die MHD-Generatorelektroden mit einem Aus gangskreis verbunden sind, Fig. 5 eine teilweise weggebrochene perspektivi sche Ansicht des Kommutators in grösserer Ausführ lichkeit, Fig. 6 eine schematische Darstellung einer An ordnung zum Erzeugen eines Mehrphasenausgangs, wobei um den Kommutator herum angebrachte Bür sten verwendet werden,
Fig. 7 einen abgebrochen gezeichneten Quer schnitt der Bürsten und leitenden Segmente der Fig. 6 in vergrössertem Massstab, Fig. 8 eine schematische Darstellung einer gegen über der Fig. 7 abgeänderten Form, Fig. 9 einen Längsschnitt durch einen MHD-Ge- nerator mit Elektroden, Fig. 10 ein Blockschaltbild zur Veranschauli chung eines anderen Typs des MHD-Wechselstrom- erzeugungssystems, wobei die Kommutatorbürsten ge dreht werden.
Die Kenntnis der allgemeinen Prinzipien von MHD-Generatoren wird das Verständnis der Erfin dung fördern. Aus diesem Grund ist in Fig. 1 eine schematische Darstellung eines MHD-Generators ge geben. Wie in dieser Figur gezeigt ist, umfasst der Generator einen konischen Kanal 1, in den gemäss dem Pfeil 2 elektrisch leitendes Plasma hoher Tem peratur und hohen Druckes eingeführt wird und aus dem es abströmt, wie mit dem Pfeil 3 angegeben ist. Der Druck an der Ausströmöffnung des Kanals ist niedriger als an seiner Einströmöffnung, und aus die sem Grunde bewegt sich das Plasma mit hoher Ge schwindigkeit durch den Kanal, wie der Pfeil 4 an gibt.
Durch geeignete Wahl der Druckdifferenz und der Gestalt des Kanals kann erreicht werden, dass sich das Plasma durch den Kanal mit im wesentlichen konstanter Geschwindigkeit bewegt, was für den Be trieb des Generators zwar erwünscht, jedoch nicht notwendig ist. Den Kanal umgibt ein kontinuierlicher elektrischer Leiter in Form eiher Spule 5, an die von irgendeiner geeigneten Quelle oder von dem Genera- tor selbst ein in einer Richtung fliessender elektrischer Strom geliefert werden kann. Der elektrische Strom fluss durch die Spule erzeugt einen magnetischen Fluss durch den Kanal senkrecht zu der Richtung des Plasmaflusses und der Zeichenebene.
In dem Kanal sind sich gegenüberliegende Elek troden 6 und 7 vorhanden. Diese Elektroden können sich längs der Innenwandung des Kanals parallel zu der Richtung der Plasmabewegung erstrecken und einander gegenüberliegend auf einer Achse angeord net sein, die senkrecht zu der Richtung der Plasma bewegung und zu der Richtung des magnetischen Flusses liegt. Schnelle Bewegung des elektrisch lei tenden Plasmas durch das magnetische Feld erzeugt eine in einer Richtung wirksame EMK zwischen den Elektroden, wie durch die Pfeile 8 markiert ist. Die Elektroden 6 und 7 sind mittels eines Leiters 9 an eine Belastung 10 angeschlossen, durch die elektri scher Strom unter dem Einfluss der zwischen den Elektroden induzierten EMK fliesst.
Aus der vorstehenden Beschreibung ist ohne weiteres erkennbar, dass der beschriebene MHD- Generator auf Grund seines Funktionsprinzips einen Gleichstromfluss durch die Belastung erzeugt. Ob gleich dies für viele Zwecke vollauf zufriedenstel lend ist, erfordern neuzeitliche Energieübertragungs- systeme eine Erzeugungsanlage, die Wechselstrom, vorzugsweise Dreiphasenwechselstrom, herstellen kann. Eine solche MHD-Anlage ist in Fig. 3 gezeigt, auf die später Bezug genommen wird.
In Fig. 2 ist ein MHD-Generator mit einem kreis runden Kanal 21 und einer verbesserten Anordnung der Elektroden dargestellt, der die oben erwähnte Fähigkeit oder Eigenschaft besitzt. Wie in Fig. 2 veranschaulicht ist, ist eine Anzahl Paare von in gleichem Abstand angebrachten Elektroden in dem kreisrunden Kanal von diesem isoliert angeordnet. Eine Elektrode jedes Paares ist eine Kathode, und die andere Elektrode ist eine Anode. Die Kathoden sind so ausgebildet, dass sie leicht Elektronen emittie ren. Jedoch brauchen die Anoden keine Elektronen zu emittieren.
Wie mit den kleinen Klammern in Fig. 2 gezeigt ist, arbeiten die Elektroden 22-27 als Kathoden, und die jeweils diametral gegenüber den Kathoden liegenden Elektroden 32-37 arbeiten als Anoden. Wie mit der grossen Klammer markiert ist, sind die Anoden und Kathoden an Schleifringbürsten in der nachher erläuterten Weise für den später dar gelegten Zweck gekoppelt. Nun soll ein Paar von sich gegenüberliegenden Elektroden, wie z. B. die Elektroden 22 und 32, betrachtet werden, die einen Winkel 0 mit dem magnetischen Feld B bilden. Das magnetische Feld<I>B</I> und die Geschwindigkeit<I>u</I> der Gasbewegung werden als gleichmässig durch den ge samten Kanal und in der in Fig. 2 markierten Rich tung angesehen.
Beim Vorhandensein der obigen Be dingungen ändert sich die Spannung zwischen den verschiedenen sich gegenüberliegenden Elektroden mit sin 0, d. h. falls die Spannung zwischen den Elektroden 24 und 34 Vo ist, dann ist die Span- nung V1 zwischen den Elektroden 22 und 32 gleich VO sin 0. Die Elektroden sind gleichmässig rings um den Kanal in Abstand angeordnet.
Somit entspricht einer gegebenen Elektrodenanzahl oder einem gege benen festen Flächenbereich der Elektrodenoberflä- che ein projizierter Flächenbereich auf der Z-Achse, d. h. auf der Achse senkrecht zu der Richtung des Stromflusses, proportional zu sin 0, der einen zu sin 0 proportionalen Strom aufzunehmen sucht.
Es soll nun ein Kanal angenommen werden, der in gleichem Abstand angeordnete Elektroden in der Verteilung gemäss Fig. 2 hat. Dabei steht jede Elek trode in kontinuierlicher elektrischer Verbindung mit einem Segment eines Drehverteilers oder Kommuta- tors, und wenigstens ein Paar von einander gegenüber liegenden Bürsten, die mit dem Drehverteiler zusam menarbeiten, befindet sich in ununterbrochener elek trischer Verbindung mit der Primärwicklung eines Ausgangstransformators. Weiterhin soll eine geeignete Vorrichtung vorhanden sein, um die Segmente rela tiv zu den Bürsten zu bewegen.
Aus den oben an gegebenen Gründen entsteht bei Drehung der Seg mente oder der Bürsten eine Sinusspannung und ein zu dieser Spannung phasengleicher Strom. Die Form der Sinusspannung kann dadurch sehr günstig beein flusst werden, dass eine grosse Anzahl kleiner Segmente und Bürsten und die übliche Glättungsreaktanz ver wendet werden. Für eine solche Anordnung ist von wesentlicher Bedeutung, dass der Spannungssprung und der Unterbrechungsstrom, wenn eine Bürste den Stromkreis mit einem Segment unterbricht, so klein gemacht werden kann, wie dies die Umstände erfor derlich machen. Weiterhin vermindert die Schaltung eines Kondensators zwischen jedes Segment die Fun kenbildung noch weiter.
Bei einer solchen Anordnung ist es auch ein wesentliches Merkmal, dass eine Bürste nicht eine Hälfte des vollen Gleichstroms während der Kommutierung schalten muss, wie dies bei einer Bürste in einer bipolaren Gleichstrommaschine der Fall ist.
Fig. 3 zeigt in Blockform eine Einrichtung mit einer Drehsegmentvorrichtung, mittels der die Span nungen unterschiedlicher Grösse, die unter dem Ein fluss der elektromotorischen Kraft in dem Generator entstehen, an den Ausgangskreis angekoppelt wer den. Wie in Fig. 3 gezeigt ist, wird Brennstoff, der einen leicht ionisierbaren Fremdstoff oder Verunrei nigung (Impfstoff) enthält und in die Brennkammer 38 bei 39 eingeführt wird, in Gegenwart von Sauer stoff verbrannt, der in die Brennkammer 38 bei 40 eingeleitet wird.
Um in der Brennkammer ein Plasma von ausreichend hoher Temperatur zu entwickeln, kann Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherte Luft in die Brennkammer eingeführt werden. In an derer Weise kann anstelle von Sauerstoff vorerwärmte Luft verwendet werden. In einem solchen Fall wird die Luft aus der Atmosphäre durch einen Turbo kompressor (nicht gezeigt) angesaugt und vor der Einführung in die Brennkammer durch einen Vor erhitzer (nicht gezeigt) geschickt. Das heisse, elektrisch leitende Plasma aus der Brennkammer wird direkt in den MHD-Generator 41 eingeleitet.
Nach Ausdehnung in dem MHD-Ge- nerator 41 auf eine niedrigere Temperatur bildet das Plasma ein Arbeitsfluidum mit verhältnismässig schlechter elektrischer Leitfähigkeit. Dieses Arbeits fluidum kann zu einer Wärmeableitungs- oder -um wandlungsstelle 42, wie z. B. der Atmosphäre, oder zu einer üblichen Dampferzeugungsanlage ausgesto ssen werden.
In dem Generator angeordnete und beispielsweise gemäss Fig. 2 ausgebildete Elektroden sind an einem Ausgangskreis mittels einer später beschriebenen Um setzungsvorrichtung gekoppelt, welche die Elektroden und den Ausgangskreis verbindet. Wie in Fig. 3 gezeigt ist, besteht der vorgenannte Ausgangskreis aus einem Transformator 56, und die Umsetzungsvorrichtung 43 kann Schleifringbürsten 44; Schleifringe 45, einen Drehverteiler 46 und Ver teilerbürsten 47 umfassen.
Jede Elektrode in dem MHD-Generator ist mit der Bürste eines Schleifringes elektrisch verbunden, und der Schleifring ist an ein leitendes Segment des Drehverteilers elektrisch an geschlossen. Die Schleifringe und die leitenden Seg mente sind auf einer gemeinsamen Welle angeordnet, die von einem geeigneten Motor 48 gedreht wird.
Wenn die leitenden Segmente die gleiche Lagebezie hung zueinander wie die Elektroden haben, wird durch die relative Drehbewegung der leitenden Seg mente bezüglich der entgegengesetzt angeordneten Bürsten des Drehverteilers, die mit dem Ausgangs kreis elektrisch verbunden sind, nacheinander jedes Paar der einander gegenüberliegend angeordneten Elektroden mit dem Transformator oder mit dem Ausgangskreis gekoppelt. Auf diese Weise erzeugt die aufeinanderfolgende Kopplung der verschieden gro ssen und sin 0 proportionalen, an jedem Paar sich gegenüberliegender Elektroden verfügbaren Ströme an dem Ausgangskreis einen Wechselstrom, der von Na tur aus sinusförmig ist.
Fig. 4 zeigt schematisch die Umsetzungsvorrich tung, welche die Elektroden 22-27 und 32-37 der Fig. 2 mit dem Ausgangskreis verbindet, und Fig. 5 zeigt den Drehverteiler in ausführlicherer Weise. Wie oben ausgeführt wurde, besteht die Umsetzungsvor richtung aus einer Anzahl Kupferschleifringe 61-72, die konzentrisch auf einer Welle 73 von dieser isoliert befestigt angeordnet sind, einem Motor 74, der die Welle 73 in Rotation versetzt, und einem Drehver teiler 75.
Der Drehverteiler, der vollständiger in Fig. 5 dargestellt ist, ist mit leitenden Segmenten 82-87 und 92-97 versehen, die aus keilförmigen Segmenten aus warmgezogenem oder gesenkgeschmiedetem Kupfer hergestellt sind und durch dünne von der Segment platte geschnittene Lagen 101 aus zusammengesetz tem Glimmer voneinander isoliert sind. Die leitenden Segmente 82-87 und 92-97 werden durch Spann flansche 102-103 zusammengehalten, welche die lei tenden Segmente nach innen ziehen, wenn die Flan- sche durch Schraubbolzen oder Kopfschrauben 104 zusammengezogen werden.
Durch zwei Hülsen oder Ringe aus zusammengesetztem Glimmer 105 wird verhindert, dass die Flansche die leitenden Segmente kurzschliessen. Die Leiter von den Schleifringen 61 bis 72 werden an den Verbindungsdrähten 106 an gelötet, die einen Teil jedes leitenden Segments bil den. Die Funktion der mit den leitenden Segmen ten zusammenarbeitenden Bürsten 111-116 besteht darin, den Strom von den leitenden Segmenten zu dem Ausgangskreis zu leiten. Die Bürsten 111-116 bestehen vorzugsweise aus Kohle, obgleich sie auch aus Kupfergewebe oder Metall-Kohle-Verbindungen hergestellt sein können.
Ein Bürstenhalter 117 ist an dem Bürstenhalterbolzen 118 befestigt und hält die Bürste in der erforderlichen Lage an dem Drehver teiler. Der Bolzen 118 ist von dem Drehschwingarm 119 mittels einer Isolierhülse 121 und einer Unter lagscheibe 122 isoliert. Die Bürste muss in ihrem Hal ter ungehindert gleiten können, damit sie irgendwel chen Unregelmässigkeiten in dem Drehverteiler fol gen kann, und wird in elektrischem Kontakt mit den leitenden Segmenten durch eine Feder (nicht gezeigt) gehalten, die einen Druck auf die Bürste von 0,07 bis 0,14 kg/cm2 ausüben kann.
Zur Verminderung des elektrischen Widerstandes kann der obere Teil der Bürste verkupfert sein, und dieser verkupferte Teil ist mit dem Bürstenhalter<B>117</B> durch ein aus Kupferband hergestelltes Anschlussstück 124 verbun den. Die Bürste ist durch den Bürstenhalter mit dem Ausgangskreis verbunden. Die obige Erläuterung trifft sowohl für Schleifringbürsten als auch für Drehver- teilerbürsten zu.
Jedes leitende Segment ist der Reihe nach mit den Schleifringen durch Leiter 125 verbunden, deren Enden jeweils an die Anschlussfahne eines leitenden Segments und seinen entsprechenden Schleifring ge lötet sind. Eine Anzahl Bürsten 131-142, von denen jede mit einem Schleifring zusammenarbeitet und über einen Leiter an eine Elektrode in dem MHD- Generatorkanal elektrisch angeschlossen ist, ermög licht ununterbrochene elektrische Verbindung zwi schen den Elektroden und den leitenden Segmenten, wenn der Drehverteiler 75 von dem Motor 74 an getrieben wird.
Kondensatoren 143-153 sind zwi schen benachbarte Schleifringbürsten geschaltet und liefern ein Kommutierungspotential, die entweder al lein oder in Kombination mit üblichen sättigungsfähi gen oder Glättungsreaktanzelementen (nicht gezeigt) Funkenbildung an den Drehverteilerbürsten zu ver mindern suchen und die Sinusform der Ausgangs spannung und des Ausgangsstromes verbessern. Zur Abschwächung der Funkenbildung können auch an dere geeignete, übliche, bekannte Mittel verwendet werden. Damit die Vorrichtung besser erklärt werden kann, sind einige Schleifringe in Fig. 4 weggelassen worden.
Jedoch wird bemerkt, dass für die Dreh segmentvorrichtung ein Schleifring und eine damit zusammenarbeitende Bürste für jede Elektrode erfor derlich ist. In gleicher Weise werden auch ein leiten- des Segment für jede Elektrode sowie ein Leiter, der jedes leitende Element und einen Schleifring verbin det, und Leiter benötigt, die die Schleifringbürsten mit den entsprechenden Elektroden verbinden. Glei chermassen ist es wichtig, dass die leitenden Segmente die gleiche Winkelverteilung wie die Elektroden ha ben, um einen Sinuswellenausgang an den Verteiler bürsten herzustellen.
Dies wird dadurch erreicht, dass die Elektroden der Reihe nach mit den Schleifring bürsten und die Schleifringe der Reihe nach mit den leitenden Segmenten verbunden werden. Beispiels weise ist unter Bezugnahme auf Fig. 2 und 4 aus gehend von irgendeiner Elektrode, z. B. von der Elek trode 37 der Fig. 2, diese Elektrode über den Leiter <B>161</B> mit der Bürste 131 verbunden. Die nächstfol gende Elektrode im entgegengesetzten Uhrzeigersinn, d. h. die Elektrode 22, ist über den Leiter 163 an die Bürste<B>132</B> angeschlossen. In der gleichen Weise sind alle Elektroden der Reihe nach mit den Schleif ringbürsten verbunden.
Weiterhin ist der Schleifring 61 über den Leiter 163 mit dem leitenden Segment 82 verbunden, das dem leitenden Segment 97 im ent gegengesetzten Uhrzeigersinn benachbart ist. In der gleichen Weise sind alle Schleifringe der Reihe nach an die leitenden Segmente angeschlossen.
Aus der obigen Erläuterung ist ersichtlich, dass die leitenden Segmente die gleiche Winkelverteilung wie die Elektroden haben. Somit werden die getrenn ten Ströme unter dem Einfluss der elektromotorischen Kraft in dem MHD-Generatorkanal nacheinander an den nun zu beschreibenden Ausgangskreis gekoppelt.
Der als Beispiel in Fig. 4 dargestellte Ausgangs kreis arbeitet in der Weise, dass er Dreiphasenenergie liefert. Dies wird durch drei Paare von entgegengesetzt angeordneten oder sechs in gleichem Abstand an gebrachten Bürsten 111-116 am Umfang des Dreh verteilers 75 erreicht, die mit den leitenden Seg menten so zusammenarbeiten, dass sie Strom an drei Transformatoren 171-173 koppeln. Darstel lungsgemäss ist jedes Paar entgegengesetzt angeordne ter Bürsten mit den Enden der Primärwicklung jedes Transformators verbunden. Die Bürsten 115 und 111 sind mit den Enden der Primärwicklung 174 des Transformators 171, die Bürsten 116 und 113 mit den Enden der Primärwicklung 175 des Transforma tors 172 und die Bürsten 112 und 114 mit der Pri märwicklung 176 des Transformators 173 verbunden.
Da die Bürsten 111-116 um den Umfang des Dreh verteilers 75 angeordnet sind, liegt jedes Paar ent gegengesetzt angeordneter Bürsten auf einem Radius, der um 120 gegen den Radius der anderen beiden Bürstenpaare verschoben ist. Auf diese Weise wird bei Drehung der Welle 73 durch den Motor 74 ein Strom mit einer Sinuswellenänderung in der Sekun därwicklung 177-179 jedes Transformators mit einer Phasenverschiebung von plus oder minus 120 zu jedem der anderen beiden Ströme erzeugt. Die Um laufgeschwindigkeit des Motors 74 steuert die Fre quenz der Ausgangsströme, so dass jede beliebige Frequenz im Rahmen der Umlaufgeschwindigkeit des Motors durch einfaches Auswählen der gewünschten und geeigneten Drehzahl erhalten werden kann. Die örtliche Lage der Bürsten bestimmt die Phase.
Wei terhin kann durch Verwendung üblicher Mittel und Vorrichtungen zum Konstanthalten der Drehzahl des Motor ein konstanter Frequenzausgang unabhängig von der Belastung an dem Generator erhalten werden. Wenn der Motor eine Drehzahl von 3600 U./min hat, ist an den Sekundärwicklungen der Transforma toren ein Strom von 60 Hz verfügbar. Falls ein ein phasiger Ausgang benötigt wird, können zwei Trans formatoren und ihre zugehörigen Bürsten weggelas sen werden. In gleicher Weise können die drei dar gestellten und beschriebenen Transformatoren durch einen Dreiphasentransformator ersetzt werden.
In dem MHD-Generatorkanal ist ein Stromfluss erwünscht, der räumlich und zeitlich möglichst gleich mässig ist. Zu diesem Zweck ist es erforderlich, dass zu jedem Zeitpunkt soviele Elektroden wie möglich leitend sind. Eine später vollständiger beschriebene Mehrphasenverbindung ist zur Erzielung dieses Er gebnisses besonders geeignet. Eine Bürste, die viele Elektroden überbrückt, ist für diesen Zweck von Nutzen.
Jedoch ergeben sich auch ziemlich grosse Kurzschlusswirkungen, wenn der Winkel O klein ist, d. h. die Bürste überbrückt eine Gruppe Segmente, die wesentlich unterschiedliche Spannungen verglichen mit den Segmenten in der Nähe von 0 = 90 oder 270 haben würden, die im wesentlichen an der glei chen Spannung liegen. Rechnungen zeigen, dass in einem Winkel von etwa 15 befindliche Elektroden mit einer einzigen Bürste ohne schwerwiegende Kurzschliesseffekte überbrückt werden können.
Fig. 6 zeigt schematisch und als Beispiel eine Anordnung zum Erzeugen eines Mehrphasenaus- gangs, wobei feste Bürsten rings um den Drehvertei ler verwendet werden. Aus den vorstehenden Aus führungen ist zu entnehmen, dass jedes leitende Seg ment an eine Elektrode in dem MHD-Generatorkanal angeschlossen ist und dass die Elektroden und die leitenden Segmente die gleiche Winkelverteilung ha ben und dass die leitenden Segmente durch einen Synchronmotor oder dergleichen veranlasst werden, sich an den Bürsten mit der erforderlichen Geschwin digkeit vorbeizudrehen oder umgekehrt.
Wie im fol genden vollständiger beschrieben wird, kann der Ver teiler ortsfest sein, und die damit zusammenarbeiten den Bürsten können um den Verteiler gedreht wer den. In einem solchen Fall sind die Generatorelektro- den direkt mit den leitenden Segmenten des Vertei lers verbunden, und die mit dem Verteiler zusam menarbeitenden Bürsten sind über Schleifringe und Schleifringbürsten an den Ausgangskreis angeschlos sen.
Zur Veranschaulichung ist der Ausgangskreis in Fig. 6 mit drei Transformatoren 181-183 dar gestellt, von denen jeder eine Gruppe von drei Pri märwicklungen 184-186, 187-189 bzw. 191-193 und eine Sekundärwicklung 194-196 hat, die auf einen gemeinsamen Transformatorkern gewickelt sind. Die drei Sekundärwicklungen 194-196, die einen Teil des Ausgangskreises bilden, können leicht in irgendeine der bekannten Anordnungen für Mehr phasenlieferung geschaltet werden. Jedes Paar ent gegengesetzt angeordneter Bürsten wird nacheinander mit den Enden der aufeinanderfolgenden Primär wicklungen jedes Transformators verbunden.
Bei spielsweise ist die Bürste 201 auf der rechten Hälfte des Drehverteilers 76 über den Leiter 202 mit einem Ende der Primärwicklung 184 des Transformators 181 verbunden, und die Bürste 203 auf der ent gegengesetzten oder linken Hälfte des Drehverteilers ist über den Leiter 204 mit dem anderen Ende der Primärwicklung 184 verbunden. In gleicher Weise ist die nächstfolgende, der Bürste 201 im entgegen gesetzten Uhrzeigersinn benachbarte Bürste 205 über den Leiter 206 an ein Ende der zweiten oder nächst folgenden Primärwicklung 185 des Transformators 181 und ist die der Bürste 203 benachbarte Bürste 207 über den Leiter 208 an das andere Ende der Primärwicklung 185 angeschlossen.
Die nächstfol gende Bürste an der rechten Hälfte des Drehvertei lers, d. h. die der Bürste 205 benachbarte Bürste 209, ist über den Leiter 210 an ein Ende der dritten Pri märwicklung 186 des Transformators<B>181</B> geschaltet, und die nächstfolgende Bürste an der linken Hälfte des Drehverteilers, d. h. die der Bürste 207 benach barte Bürste 211, ist über den Leiter 212 an das andere Ende der dritten Primärwicklung 186 geschal tet. In gleicher Weise sind beim weiteren Verlauf im entgegengesetzten Uhrzeigersinn die übrigen Bürsten der Reihe nach mit den übrigen Primärwicklungen verbunden.
Aus der in Fig. 6 dargestellten Ausführungsform ist ersichtlich, dass jede Primärwicklung einer Gruppe 20 phasenverschoben ist zu den anderen Primärwick lungen dieser Gruppe, dass aber die Primärspannun gen eine einphasige Ausgangsspannung in der Sekun därwicklung zur Folge haben. Weiterhin ist bei der üblichen Schaltung der drei Sekundärwicklungen zur Herstellung der richtigen Polarität der Ausgang jeder der drei Sekundärwicklungen um plus oder minus 120 gegen den Ausgang der anderen beiden Sekun därwicklungen phasenverschoben. Dies ergibt übliche Dreiphasenleistung und einen im wesentlichen gleich mässigen Stromfluss in dem Kanal zu im wesentlichen jedem Zeitpunkt.
Aus den obigen Erläuterungen ist nun ersichtlich, dass, verglichen mit den üblichen um laufenden Maschinen, die beschriebene Einrichtung entgegengesetzt angeordnete Bürsten rings um den Drehverteiler so ausnutzt, dass der Gesamtbruchteil der Zeit, während der ein Segment leitet, gross ist. Vergleichsweise wird bei den üblichen umlaufenden Maschinen nur eine Bürste für jeden Pol verwendet. Somit kann erforderlichenfalls der vorliegende Dreh verteiler bei einer bestimmten abgegebenen Leistung kleiner als der Kommutator einer üblichen Gleich strommaschine gemacht werden.
Die Erfindung ist nicht auf eine Anordnung mit drei Gruppen von drei Primärwicklungen begrenzt, die auf getrennte übliche Transformatorkerne mit einer einzigen Sekundärwicklung gewickelt sind. Bei spielsweise kann es praktisch zweckmässiger sein, we gen des Auftretens von Oberwellenverzerrung oder anderen bekannten Effekten, die sich bei technischen Anwendungen von Mehrphasenschaltungen ergeben, eine gerade Anzahl Wicklungen pro Phase zu ver wenden. Auch kann eine andere Anzahl Transforma toren als drei benutzt werden, wobei die einzige Be grenzung darin besteht, dass sich die in den Primär wicklungen induzierten Spannungen zu der gewünsch ten Anzahl Ausgangsspannungen bei den gewünsch ten Phasenwinkel addieren.
Eine solche Anordnung hat den angestrebten Vorteil, den Spannungssprung und den Unterbrechungsstrom, wenn eine Bürste ein Segment verlässt, noch weiter zu vermindern.
Die Verwendung von mehreren Phasen, wie z. B. neun Phasen, bewirkt auch eine Verringerung der Welligkeit in dem Generatorkanal, wodurch er lei stungsfähiger gemacht wird und die Belastung an den Elektroden und den Bürsten gleichmässiger ver teilt.
Praktisch kann es zweckmässig sein, etwa halb so viel Bürsten wie leitende Segmente zu verwenden, wie am besten aus Fig. 7 ersichtlich ist. Anders aus gedrückt: Die mit den leitenden Segmenten 222 zu sammenarbeitenden Bürsten 221 können etwa die Hälfte der gesamten Segmentoberfläehe bedecken, wie in Fig. 7 gezeigt ist, so dass kein Kurzschlusskreis rings um den gesamten Verteiler vorhanden ist, wenn sich die Segmente von einer Bürste zur nächsten oder umgekehrt bewegen.
Jedoch ist auch nicht die Ver wendung von mehrere Segmente bedeckenden Bür sten ausgeschlossen, solange der Abstand zwischen den Bürsten grösser als eine Segmentbreite ist, um die Existenz eines Kurzschlusskreises rings um den Ver teiler zu verhindern.
Fig. 8 zeigt schematisch und als Beispiel eine abgeänderte Ausführungsform der in Fig. 6 dar gestellten Anordnung zur Lieferung eines Mehrpha- senausgangs, wobei um den Drehverteiler 75 herum angeordnete Bürsten verwendet werden.
Wie im Zu sammenhang mit Fig. 6 ausgeführt, jedoch zur Bei behaltung der Deutlichkeit nicht dargestellt wurde, ist jedes leitende Segment mit einer Elektrode in dem MHD-Generatorkanal verbunden, und die Elektroden und die leitenden Segmente haben die gleiche Win kelverteilung und die leitenden Segmente und die Bürsten werden relativ zueinander mit der erforder lichen Geschwindigkeit von einem Synchronmotor oder dergleichen gedreht.
Es wird bemerkt, dass die Konstruktion, Anord nung und Plazierung des Drehverteilers und der da mit zusammenarbeitenden Bürsten nach Fig. 8 gleich artig mit der in Fig. 6 gegebenen Darstellung sind. Jedoch sind gemäss Fig. 8 die drei Transformatoren durch einen einzigen Transformator 231 mit einer Primärwicklung 232 in kontinuierlicher oder Ring bauart und drei Sekundärwicklungen 233-235 er setzt worden. Die Primärwicklung 232 in Ringbauart ist mit einer Anzahl Abgriffe versehen, von denen jeder der Reihe nach an eine andere Bürste an geschlossen ist. Beispielsweise ist die Bürste 236 über den Leiter 237 mit dem Abgriff 238 verbunden.
Wenn man im entgegengesetzten Uhrzeigersinn fort schreitet, ist die der Bürste 236 benachbarte Bürste 239 über den Leiter 240 mit dem Abgriff 241 und ist die der Bürste 239 benachbarte Bürste 242 über den Leiter 243 mit dem Abgriff 244 verbunden. Da der Leiter 245 die Enden der Primärwicklung zwi schen den Abgriffen 238 und 241 verbindet, ist der Abgriff 238 dem Abgriff 241 benachbart. In gleicher Weise ist jede der übrigen Bürsten der Reihe nach mit jedem der übrigen Abgriffe verbunden.
Es ist nunmehr deutlich geworden, dass jede der aufeinanderfolgenden Bürsten (wie in Fig. 8 gezeigt ist) der Reihe nach mit den Abgriffen der Primär wicklung 232 verbunden wird. Dadurch, dass jedes Paar der entgegengesetzt angeordneten, leitenden Seg mente 246 Ströme verschiedener Grösse unter dem Einfluss der elektromotorischen Kraft in dem Genera torkanal in der zuvor beschriebenen Weise erhält, wird bewirkt, dass eine Strom- und Spannungswelle kontinuierlich um die Primärwicklung 232 wandert, die in üblicher Weise einen Dreiphasenausgang in den drei Sekundärwicklungen 233-235 erzeugt.
Um Funkenbildung, wenn ein leitendes Segment den Kontakt mit einer Bürste unterbricht, auf einem Minimum zu halten, kann ein kommutierender Kon densator (nicht gezeigt) zwischen den benachbarten leitenden Segmenten angeordnet werden. Um den An schluss von kommutierenden Kondensatoren an ein umlaufendes Element zu vermeiden, können sie zweckmässigerweise zwischen die Schleifringbürsten geschaltet werden, wie in Fig. 4 gezeigt ist. Wenn eine umlaufende Bürstenanordnung verwendet wird, können die kommutierenden Kondensatoren zwischen die Elektroden geschaltet werden.
Fig. 9 veranschaulicht die Tatsache, dass mehrere Elektroden in irgendeiner Längsebene des MHD-Ge- neratorkanals verwendet werden können. So sind ge mäss Fig. 9 vier Elektroden 251-254 anstatt der in Fig. 2 gezeigten Elektrode 24 vorgesehen. Jede Gruppe von longitudinal angeordneten Elektroden kann parallel zu einem Leiter in der gleichen Weise geschaltet sein, in der die Elektroden 251-254 par allel zu dem Leiter 255 liegen, der mit der Bürste (nicht gezeigt) einer getrennten Schleifringanordnung wie zuvor beschrieben und für die zuvor erläuterten Zwecke verbunden sein kann.
In gleicher Weise kön nen Elektroden 256-259 die Elektrode 34 der Fig. 2 ersetzen und parallel zu dem Leiter 260 geschaltet sein, der an die Bürste einer anderen Schleifringan- ordnung geschaltet sein kann. Während in Fig. 2 individuelle, einander gegenüberliegende Elektroden 24 und 34 dargestellt sind, können diese auch durch mehrere Elektroden ersetzt werden, die in einer Längsebene angeordnet und parallel an getrennte Bürsten einer Schleifringanordnung angeschlossen sind.
Schematisch mit gestrichelten Linien ist eine elek trische Spule 261 angedeutet, die ein gleichförmiges magnetisches Feld quer zu dem Generatorkanal und senkrecht zu dem Gasstrom liefert. Dieses magneti sche Feld kann in verschiedener Weise hergestellt werden. Obgleich die genaue Konstruktion von Vor richtungen zum Erzeugen eines gleichförmigen ma gnetischen Feldes für die Erfindung nicht wesentlich ist, kann beispielsweise ein solches magnetisches Feld dadurch hergestellt werden, dass die elektrische Spule im wesentlichen in der gleichen Weise wie Ablenk- spulen von Fernsehbildröhren gewickelt wird.
Die Technik zum Wickeln von Fernsehablenkspulen ist bekannt sowie auch die Tatsache, dass sie ein gleich förmiges magnetisches Feld im Hals der Fernseh bildröhre herstellen.
Eine Elektrodenanordnung gemäss Fig. 9 gewähr leistet volle Ausnutzung des Querschnitts des Kanals zur Bildung von Strompfaden durch den Gasstrom.
Erforderlichenfalls kann jede Gruppe radialer und entgegengesetzt angeordneter Elektroden, wie in Fig. 9 gezeigt ist, mit getrennten Verteilern verbun den sein, und es kann an diese Strom in der gleichen Weise geliefert werden, wie zuvor beschrieben wurde. Diese Anordnung kann zweckmässig sein, wenn Hall- Effekt in dem Generatorkanal vorhanden ist. Da eine solche Modifikation aus der vorstehenden Beschrei bung naheliegend ist, wird eine entsprechende Dar stellung nicht für erforderlich gehalten.
Die in Fig. 2 und 9 gezeigte spezielle Gestalt der Elektroden ist nicht entscheidend. Aus konventionel len Gründen sind die als Kathode wirkenden Elek troden als verhältnismässig lange Stäbe und die als Anoden wirkenden Elektroden als kurze Stäbe dar gestellt worden. Die Querschnittform der Stäbe oder ihre Gestalt in der zu ihrer Länge parallelen Richtung wird nicht für wesentlich gehalten, da die Vorteile der Erfindung unabhängig von der Form der Elek troden realisiert werden können. In gleicher Weise bildet auch das Material der Elektroden keine Be grenzung der Erfindung. Solche Elektroden können aus schwerschmelzenden Metallen, nichtrostendem Stahl oder aus Kupfer hergestellt werden, falls innere Kühlung vorgesehen ist.
Weiterhin brauchen die Längselektroden nicht notwendigerweise segmentför- mig ausgebildet zu sein und können aus einer sich im wesentlichen über die Länge des Generatorkanals erstreckenden Einzelelektrode bestehen, falls kein Hall-Effekt vorhanden ist.
Eine Drehbürstenanordnung, die eine Modifika tion der Drehsegmentanordnung nach Fig. 3 bildet, ist in schematischer Blockform in Fig. 10 gezeigt, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente be zeichnen.
Die Einführung von Brennstoff, Impfstoff und Sauerstoff in die Brennkammer 38 und die Ein leitung des Plasmas aus der Brennkammer 38 in den MHD-Generator 41 (Fig. 10) ist im Zusammenhang mit Fig. 3 behandelt worden und ist damit identisch, wie dies auch für die Anordnung der Elektroden in dem MHD-Generator 41 zutrifft.
Während jedoch jede Elektrode in dem MHD-Generator nach Fig. 3 mit der Bürste eines Schleifrings verbunden ist, ist gemäss Fig. 10 jede Elektrode in dem MHD-Genera- tor direkt an ein leitendes Segment eines Verteilers 49 angeschlossen. Dieser entspricht dem Drehvertei ler 46 mit der Ausnahme, dass er stationär bleibt und nicht gedreht wird.
Die leitenden Segmente des Verteilers 49 und die Elektroden haben die gleiche im Zusammenhang mit Fig. 3 behandelte Lagebe ziehung. Drehverteilerbürsten 47 und Schleifringe- 50 sind auf einer gemeinsamen Welle angeordnet, die von dem Motor 48 drehbar angetrieben wird. Die Bürsten 51 arbeiten mit den Schleifringen 50 so zu sammen, dass sie die Drehverteilerbürsten 47 an den von dem Transformator 56 gebildeten Ausgangskreis koppeln.
Während in der umlaufenden Segmentan- ordnung nach Fig. 3 der Verteiler gedreht wird und die damit zusammenarbeitenden Bürsten nicht gedreht werden, ist die Arbeitsweise in der umlaufenden Bür stenanordnung nach Fig. 10 umgekehrt, d. h. der Verteiler wird nicht gedreht, während die damit zu sammenarbeitenden Bürsten um den Verteiler herum gedreht werden. In jedem Fall sind die an den Trans formator 56 gelieferten Ströme identisch.
Die Anord nung nach Fig. 10 kann beispielsweise gegenüber der Anordnung nach Fig. 3 vorteilhaft sein, weil eine geringere Anzahl Schleifringe und Schleifringbürsten benötigt wird, wodurch sich eine einfachere und bil ligere Umsetzungsvorrichtung für Generatoren ergibt, die eine grosse Anzahl Elektroden haben.
Wenn man die Verwendung der maximalen Anzahl von Ver teilerbürsten annimmt, d. h. die Verwendung von halb sovielen Verteilerbürsten wie Elektroden und somit leitende Segmente vorhanden sind, so ist ohne weiteres ersichtlich, dass die umlaufende Bürstenkon struktion nur halb soviele Schleifringe wie die um laufende Segmentkonstruktion erfordert. Während dies für die umlaufende Segmentkonstruktion nicht zutrifft, benötigt die umlaufende Bürstenkonstruktion geeignete Mittel, um die während ihrer Drehung auf die Bürsten ausgeübte Fliehkraft zu überwinden.
Da die Bürsten normalerweise mit einer konstanten Ge schwindigkeit gedreht werden, kann dies beispiels weise durch Auswahl der auf die Bürsten ausgeübten Federkraft oder die Ausübung einer Kraft auf die Bürsten leicht erreicht werden, die gleich und ent gegengesetzt zu der auf die Bürsten ausgeübten Flieh kraft unabhängig von ihrer Richtung ist.