CH422966A - Generatorkanal für magnetohydrodynamische Generatoren - Google Patents

Generatorkanal für magnetohydrodynamische Generatoren

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CH422966A
CH422966A CH999264A CH999264A CH422966A CH 422966 A CH422966 A CH 422966A CH 999264 A CH999264 A CH 999264A CH 999264 A CH999264 A CH 999264A CH 422966 A CH422966 A CH 422966A
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Way Stewart
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Westinghouse Electric Corp
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K44/00Machines in which the dynamo-electric interaction between a plasma or flow of conductive liquid or of fluid-borne conductive or magnetic particles and a coil system or magnetic field converts energy of mass flow into electrical energy or vice versa
    • H02K44/08Magnetohydrodynamic [MHD] generators
    • H02K44/12Constructional details of fluid channels

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Description


      Generatorkanal    für     magnetohydrodynamische    Generatoren    Die Erfindung betrifft einen     Generatorkanal    für       magnetohydrodynamische    Generatoren, bei denen  Kanalwand und Elektroden einen heissen Plasma  strahl umschliessen.  



  Der Theorie des     magnetohydrodynamischen          (MHD-)Generators    zufolge wird zwischen Elektro  den an gegenüberliegenden Kanalwänden eine Span  nung erzeugt, wenn ein elektrisch leitendes Medium  oder ein ionisiertes Gas mit Plasmaeigenschaften den  Kanal durchströmt und ein Magnetfeld senkrecht zur  Ebene durch die Elektroden und senkrecht zur Strö  mungsrichtung angeordnet wird. Die Theorie ergibt  sich als Sonderfall des allgemeineren     Faraday'schen     Induktionsgesetzes.  



  Beim     MHD-Generator    übernimmt das Plasma die  Rolle des in einem Magnetfeld bewegten Leiters, so  dass zwischen den Elektroden quer zum Plasma eine  elektrische Spannung den Induktionsgesetzen zufolge,  erzeugt wird. Schliesst man die Elektroden über einen  äusseren Lastkreis, so wird ein Strom erzeugt, der im  Gesamtkreis fliesst.  



  Weitere     überlegungen    liefern eine sorgfältig aus  gearbeitete Theorie des     MHD-Generators,    wobei die  erzeugte Spannung und andere Betriebsparameter für  eine gegebene     Generatoranlage    mit einem vernünfti  gen Sicherheitsgrad vorausberechnet werden können.  Wird z. B. als leitendes Arbeitsmedium ein ionisiertes  Gas bzw. Plasma verwendet, so hängen erzeugte  Spannung und Strom von Gasparametern, wie elek  trische Leitfähigkeit, Temperatur, Druck und Strö  mungsgeschwindigkeit, ab. Das Plasma können Ver  brennungsabgase bilden, dem leicht     ionisierbare     Stoffe, wie     Caesium    als sogenanntes     Saatmerial    zuge  geben werden.

   Man kann dann mit guter Näherung  bestimmen, wie sich die Parameter beim Durchströ  men des Kanals ändern werden. Der magnetische    Fluss und die physikalischen Eigenschaften des Bau  materials, z. B. die magnetische     Permeabilität,    der  elektrische Widerstand oder die Leitfähigkeit und die  Temperaturbeständigkeit, haben ebenfalls einen  massgebenden Einfluss auf die     Spannungs-    bzw.  Stromerzeugung.  



  Die Betriebseigenschaften eines     MHD-Generators     sind unter Berücksichtigung der Strömungsgesetze,  der elektromagnetischen und thermodynamischen       Prinzipien    einer umfassenden mathematischen Ana  lyse zugänglich, wie sie hinreichend in Forschungs  berichten sowie in der Patentliteratur dargestellt ist.  Eine solche umfassende Analyse findet man z. B. im  Schweizer Patent Nr. 400 324.  



  Ein Lösungsweg für die Kanalkonstruktion führt  zu in Strömungsrichtung ausgedehnten     kastenförmi-          gen    Kanälen mit rechteckigem oder ähnlichem Quer  schnitt. Die Elektroden, zwischen denen bei Plasma  durchsatz in einem Magnetfeld elektrische Leistung  erzeugt wird, sind dann gewöhnlich an gegenüberlie  genden Kanalseiten angeordnet. Der Kanal wird von  elektrisch isolierenden Wänden seitlich abgeschlos  sen. Ein längs des Kanals genügend homogenes Ma  gnetfeld kann mit     Hilfe    einer Magnetwicklung ange  legt werden, deren Leiter sich im wesentlichen in  Kanallängsrichtung erstrecken.

   Die zum Erzeugen  eines bestimmten Flusses erforderliche     magnetomo-          torische    Kraft kann durch einen geschichteten Eisen  kern herabgesetzt werden.  



  In Betriebsgrössen ausgedrückt, hängt nun der  Wirkungsgrad der Spannungserzeugung in einem     Ge-          neratorkanal    von dem Ausmass ab, in dem es gelingt,  den elektrischen Widerstand der seitlichen Kanal  wände auch bei steigenden Temperaturen zu halten.  Ausgleichsströme und     Hallströme    über die Kanal  wände oder das Plasma vor den Kanalwänden be-      deuten für die     Generatorleistung    verlorene Energie.

    Bei     Generatorkanälen,    bei denen     Kanalseitenwände     und Elektroden den Strömungsraum des Kanals     um-          schliessen,    wird somit der     Generatorwirkungsgrad     wesentlich erhöht, wenn es     gelingt,    die Ausgleichs  ströme     herabzumindern    oder gar völlig zu verhindern.  



  In der     Schweizer    Patentschrift Nr. 412 077 ist  schon vorgeschlagen worden, die bei hohen Betriebs  temperaturen auch bei Seitenwänden aus Isolierstof  fen auftretenden Ausgleichsströme durch Ausbilden  einer verhältnismässig kühlen Gasschicht vor der Ka  nalwand unter Kontrolle zu halten. Eine solche elek  trisch     isolierende    Gasschicht kann durch Einblasen  eines kühlen Gases oder durch starke Kühlung der  Seitenwände erzielt werden.

   In     zahlreichen    Ausfüh  rungsfällen     liefern    beide Vorschläge unbefriedigende  Ergebnisse, da die Temperatur der     Kanalseitenwände     dennoch zu     Werten    ansteigt, bei denen selbst das  Material der Seitenwände seine     Isolatoreigenschaft     verliert und den Wirkungsgrad mindernde Aus  gleichsströme     auftreten.     



  Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zu  grunde, nicht nur die Ausgleichsströme in der Gas  schicht vor der Kanalwand zu vermeiden, sondern  auch Kanalwände zu entwickeln, die ihre Isolator  eigenschaft auch bei hohen Betriebstemperaturen be  halten. Die     Erfindung    besteht darin, dass eine Kanal  wand aus     thermisch    und     elektrisch        isolierendem    Ma  terial durch in     Längsrichtung    angeordnete, gekühlte  Zwischenkörper aus wärmeleitendem Material unter  teilt ist.  



  Insbesondere kann die innere Kanalwand aus  Keramikblöcken aufgebaut sein, die durch Zwischen  körper aus Kupferbändern     seitlich    voneinander ge  trennt sind. Man kann die Wandblöcke weiter in den  Strömungsraum     hineinreichen    lassen als die Zwi  schenkörper.     Wesentlich    ist, dass die Zwischen  körper     mit    dem Plasma unmittelbar in wärme  leitendem Kontakt stehen. Mit dem     Generatorkanal     nach der Erfindung ist es möglich, Ausgleichsströme  zwischen den Elektroden auch bei hohen Betriebs  temperaturen zu vermeiden und darüber hinaus dem  Plasma durch Kühlen nur wenig Energie zu entziehen.  Wirtschaftlichkeit und Wirkungsgrad der Generator  anlage werden dadurch wesentlich erhöht.  



  Die Erfindung soll anhand der Zeichnung bei  spielsweise näher erläutert werden.     Fig.    1 zeigt den       Längsschnitt    eines gemäss der Erfindung aufgebauten       Generatorkanals.     



  In     Fig.    2 ist der Querschnitt eines     Generatorkanals     nach     Fig.    1 wiedergegeben, wie er von einer Schnitt  ebene     II-II    aus gesehen     wird.     



       Fig.3    zeigt einen vergrösserten Ausschnitt aus  der rechten Seitenwand nach der Querschnittansicht  nach     Fig.    2.  



  Der in den Figuren 1 und 2 dargestellte Kanal  für einen     MHD-Generator    gehört dem Typ der sich  in Strömungsrichtung erstreckenden     kastenförmigen          Generatorkanäle    an. Der Kanal 10 hat Seitenbasis  wände 12 und 14 und Elektroden tragende Wände    16 und 18. Das     Arbeitsmittel    bzw. Plasma durchsetzt  den Kanal im Strömungsraum 20.  



  Das Plasma kann aus Flammenabgasen gebildet  werden. Dazu     kann    der Kanal 10 in einer Genera  toranlage verwendet werden, die einen Kompressor  für angesaugte Luft     aufweist    und von dem die ver  dichtete Luft zu einer     Brennkammer    geleitet wird.       Hier    kann sie einen zugeführten Brennstoff verbren  nen, wobei Flammenabgase mit einer Temperatur  von beispielsweise 2500  K entstehen.

   Durch Zusatz  leicht     ionisierbarer    Atome oder Moleküle, wie die des       Caesiums    oder     Kaliums,    verbessert man die Leitfä  higkeit der     Flammenabgase.    Nachdem sie im Genera  torkanal 10 elektrische Leistung erzeugt haben, kann  man das Saatmaterial aus den Abgasen in bekannter  Weise zurückgewinnen.  



  Auch können     Wärmetauscher    zum     Vorerhitzen     der Verbrennungsluft herangezogen werden. Zum  Aufheizen kann man z. B. die erhitzten Kühlmittel  verwenden. Schliesslich kann der Elektromagnet mit  über und unter der Zeichenebene bei     Fig.    1 am Kanal  vorzustellenden Polen durch eine eigene Energie  quelle erregt werden. Im übrigen können den     jeweili-          gen        Erfordernissen    entsprechend weitere bekannte  Zusatzeinrichtungen verwendet werden.  



  Die Elektroden tragenden Wände 16 und 18 kön  nen aus einem geeigneten Baumaterial, wie Stahl,     he-          stehen.    Sie können mit einer Schicht 22 aus ther  misch     isolierendem    Material, wie     Magnesium-Oxyd     oder einer     Strontium-Zirkon-Verbindung,    belegt sein,  die eine grosse Temperaturfestigkeit aufweist und  auch bei hohen Temperaturen einen relativ hohen  Widerstand hat. Auf die Schicht 22 ist hier jeweils  eine Elektrode 24 bzw. 26 aufgebracht. Die Elektro  den 24 und 26 weisen über die Kanallänge konstan  ten Abstand auf. Bei konstanter Strömungsgeschwin  digkeit wird somit über die gesamte     Elektrodenlänge     die gleiche Spannung induziert.

   Die beschreibende  Faustformel lautet dabei:     U=vBd.    Dabei ist<I>U=</I>  Spannung zwischen den Elektroden,     v=die    Strö  mungsgeschwindigkeit des Plasmas, B =die magneti  sche Induktion im Kanal,     d=Abstand    zwischen den  Elektroden.  



  Es versteht sich, dass man den Abstand zwischen  den     Seitenbasiswänden    12 und 14 nach     Fig.    2     erfor-          derlichenfalls    längs des Kanals anwachsen lassen  kann, um einen sich erweiternden Querschnitt des  Strömungsraumes zu erzielen. Solche Kanäle mit va  riablem Querschnitt sind erforderlich, wenn man zur  Leistungserzeugung besonders den Druckabbau im  Plasma heranziehen will.  



  Die Elektroden 24 und 26 können ein einheit  licher Block aus     Zirkon-Borid    sein oder sie können  quer zur Kanallängsrichtung segmentiert sein, wobei  zwischen den     Elektrodenteilkörpern    isolierende Di  stanzstücke liegen. Zu den geeignet fixierten Elek  troden 24 und 26 führt mindestens jeweils ein An  schluss 28, der durch die     anliegende        Isolierschicht     22 und die Wände 16 bzw. 18 durchgeführt ist, um  die Verbindung zu einem äusseren Lastkreis her-      stellen zu können.  



  Jede der     Seitenbasiswände    12 und 14 ist mit  einer Schicht 30 aus thermisch und elektrisch isolie  rendem Material, wie einer     Zirkon-Oxyd-Keramik,     belegt. Diese Schichten 30 setzen sich über die Kanal  höhe aus Blöcken 32 zusammen, die sich in Kanal  richtung erstrecken. Die Schichten 30, die die  Kanalwand zum Strömungsraum 20 bilden, sind ge  wissermassen durch Ebenen unterteilt, die zwischen  dem zusammenwirkenden     Elektrodenpaar    mit den  Elektroden 24 und 26 liegen. Zwischen den Wand  blöcken 32 sind Zwischenkörper 34 angeordnet, die  hier ein     T-förmiges    Profil aufweisen und aus einem  Material, wie Kupfer, gefertigt sein können.

   Die  Zwischenkörper haben eine     Schulterpartie    36 und  eine band- bzw. plattenförmige Halspartie 35. Mit den       Seitenbasiswänden    12 und 14 des     Generatorkanals     können die Zwischenkörper durch Schweissen ver  bunden werden.  



  Jedes der Bänder 35 hat mit seiner unverdeckten  Kopfpartie 38 freien Zugang zum Strömungsraum 20  des Kanals 10. Bei einem oder mehreren Kühlkanälen  40 in den     Bändern    35, oder wie hier bei einem Kühl  kanal in den Kopfpartien 38, können die Zwischen  körper 34 durch ein     Kühlmittel    gekühlt werden.  



  Die     Seitenbasiswände    12 und 14 und die Elek  troden tragenden Wände 16 und 18 können     zweck-          mässigerweise    durch Kühlkanäle 42 ebenfalls gekühlt  werden. Die Kühlkanäle 40 und 42 können in einem  gemeinsamen     Kühlmittelkreislauf    liegen.  



  Die Wandblöcke 32 aus Isoliermaterial sind  durch die Bänder 35 der Zwischenkörper 34 seitlich  voneinander getrennt. Bei der hier in     Fig.    2 darge  stellten Ausführungsform der Zwischenkörper ist das  Befestigungsproblem für die Wandblöcke in einfacher  Weise gelöst. Die mit den     Seitenbasiswänden    12 und  14 verbundenen Zwischenkörper 34 spannen die  Wandblöcke 32 zwischen sich ein. Dabei verhindern  die Kopfteile 38 mit den     Kühlkanälen    40 durch Ein  passen in     Kehlungen    der Wandblöcke 32 auch ein  seitliches Herausfallen in den Strömungsraum 20.  



  Es ist günstig, die Wandblöcke 32 weiter in den  Strömungsraum 20 hineinreichen zu lassen als die  Zwischenkörper 34. Es empfiehlt sich dann, die vor  springende     Stirnpartie    37 der Wandblöcke 32 zu den  Kopfteilen 38 der Zwischenkörper 34 abzuflachen,  worauf die Bezugszeichen 39 hinweisen. Durch diese  Massnahme     erreicht    man eine sichere elektrische  Trennung der     Wandblöcke.     



  In     Fig.2    sind ferner schematisch abgebrochen  dargestellte Magnetpole 11 und 13 wiedergegeben,  die sich längs des Kanals 10 erstrecken und zum An  liegen eines die Wände 12 und 14 und den Kanal 10       transversal    durchsetzenden Magnetfeldes dienen. Seit  lich reichen die Polschuhe nicht bis zu den Elektro  den tragenden Wänden 16 und 18, um in den Wän  den Streuverluste des Magnetfeldes zu vermeiden.  



  Durch eine     Kanalwandausbildung    nach der Er  findung wird durch gekühlte Zwischenkörper seitlich  an den Wandblöcken aus Isolierstoffen auch bei    hohen Betriebstemperaturen im     Generatorkanal    in  kühlen     Materialzonen    die     Isolatoreigenschaft    aufrecht  erhalten. Die Zwischenkörper wirken dadurch als  Strombarrieren.  



  Ausserdem wird zwischen den Stirnseiten (37) der  Blöcke durch Kühlen eine elektrisch schlecht leitende  Gasschicht gebildet.  



  Es ist verständlich, dass die Zwischenkörper 34  bzw. die Bänder 35 anders als im Ausführungsbei  spiel gestaltet werden können. Es kommt nur darauf  an, die Kanalwände zwischen den Elektroden zu  mindestens zwei Blöcken aufzugliedern und die     Iso-          latoreigenschaft        wenigstens    in Zonen zu erhalten.  



  So können ganz allgemein Zwischenkörper bzw.  Strombarrieren nach der Erfindung zu Trennwänden  oder für Stützwände zwischen Elektroden verschie  denen Potentials verwendet werden. Man kann dabei       z.B.    an einen     Generatorkanal    mit mehreren Strö  mungskanälen denken. Andererseits können zum  Ausscheiden elektrischer Nebenwirkungen, wie sie  der Halleffekt darstellen kann, zusätzlich Strombar  rieren nach der Erfindung quer zur     Richtung    des  Störpotentials verwendet werden.

   Nimmt man die       Hallspannung    als Störpotential im Plasma bei einem  in der Zeichnung dargestellten kastenförmigen Gene  ratorkanal mit einem     Elektrodenpaar    an, so können  in den Kanalwänden senkrecht zu den in der Zeich  nung schon wiedergegebenen Zwischenkörpern wei  tere Zwischenkörper angeordnet werden. Die Wand  blöcke wären dann auch in Längsrichtung unterteilt  vorzustellen und die inneren Blöcke würden durch  Zwischenkörper von vier Seiten eingebettet.  



  Für     Generatorkanäle,    in denen der Halleffekt die  eigentliche Nutzleistung erzeugt, können die Kanal  wände ebenfalls erfindungsgemäss aufgebaut werden.  Bei ringförmigen Elektroden am Kanaleingang und       -ausgang    wären die Kanalwände durch ebenfalls  ringförmig angeordnete Zwischenkörper elektrisch zu  unterbrechen.  



  Die erfindungsgemässen Kanalwände sind nicht  auf die dargestellten Kanaltypen beschränkt, sondern  können auch entsprechend bei     Generatorkanälen    mit  schraubenförmiger Bahn des Plasmas eingesetzt wer  den.

Claims (1)

  1. PATENTANSPRUCH Generatorkanal für MHD-Generatoren, bei de nen Kanalwand und Elektroden einen heissen Plas mastrahl umschliessen, gekennzeichnet durch eine Kanalwand aus thermisch und elektrisch isolieren dem Material, die durch in Längsrichtung angeord nete gekühlte Zwischenkörper aus wärmeleitendem Material unterteilt ist. UNTERANSPRÜCHE 1. Generatorkanal nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalwand aus Keramik blöcken aufgebaut ist. 2. Generatorkanal nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenkörper aus Kupfer- bändern bestehen.
    3. Generatorkanal nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass senkrecht zur Ausdehnungsrich tung der Zwischenkörper weitere Zwischenkörper zum Ausscheiden elektrischer Nebenwirkungen ange ordnet sind. 4. Generatorkanal nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die von den Zwischenkörpern eingeschlossenen Wandblöcke über die Zwischenkör per hinaus in den Strömungsraum des Kanals hinein- reichen und dass die Zwischenkörper zum Strö mungsraum hin unverdeckt sind.
    5. Generatorkanal nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenkörper das Profil eines unten verstärkten T mit einer Schulter-, Hals- und Kopfpartie aufweisen und dass die Kopf partie einen Kanal für Kühlmitteldurchsatz bildet.
CH999264A 1963-08-22 1964-07-30 Generatorkanal für magnetohydrodynamische Generatoren CH422966A (de)

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