CN110855121A - 一种基于热沉式的法拉第型磁流体发电通道装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于热沉式的法拉第型磁流体发电通道装置，包括支撑框架；两个发电组块安装在支撑框架上，包括通过电极拉紧螺栓连接的相互平行的两个头部发电电极、多个中间发电电极和电极间绝缘垫片，两个头部发电电极之间设有多个中间发电电极，且多个中间发电电极之间设有电极间绝缘垫片。本发明针对磁流体发电通道的实际工作条件，提出用于磁流体发电的热沉式发电通道装置，其中发电部分为整体模块，更换时较为方便，通道可靠性高，通道密封多采用台阶，嵌套等机械密封方式，减少了连接件的使用，且通道主体采用紫铜等导热性较好的材料加工，可以很快的进行热量的传递与吸收，避免了冷却水的使用，提高了磁流体发电通道的效率。

Description

一种基于热沉式的法拉第型磁流体发电通道装置

技术领域

本发明属于等离子体加热设备技术领域，尤其涉及一种基于热沉式的法拉第型磁流体发电通道装置。

背景技术

磁流体发电是一种直接从高焓气体中提取能量的发电方式，这种方式无需机械部件的转换过程，主要通过导电流体在通道中切割磁感线产生感应电动势进行电能提取。磁流体发电在高超声速飞行器机载供电技术领域具有广阔的运用前景，进行相关的地面试验研究具有重要意义。

磁流体发电通道是磁流体功率提取的核心部分，其中的热电磁转换过程就发生在该装置内。在不同的应用领域，磁流体发电通道的结构与运行原理也不尽相同，目前，针对磁流体发电通道的研制工作主要集中在结构简单、原理清晰、效率较高的直线型磁流体通道。根据原理的不同，直线型磁流体功率提取通道又分为连续电极型、分段法拉第型、霍尔型和对角线型。分段法拉第型磁流体发电通道由于原理清晰、结构简单、稳定性好，被广泛应用到霍尔参数和通道尺寸都比较小的磁流体发电系统中。

磁流体通道是实现磁流体发电的关键部件，工程上通常采用向高温燃气中注入电离种子的方式来获得磁流体发电工质。这种情况下，流经发电通道的流体温度一般在2000K以上，在高温条件下长时间稳定工作成为了磁流体发电通道设计的主要技术难题，高温会给发电通道带来诸如壁面烧蚀，电极表面氧化，通道热变形等问题。高温燃气通常由碳氢燃料燃烧获得，随着工况改变，通道内表面还会发生积碳问题，在加入电离种子的过程中，由于流体流速较快，往往达到临界音速或超音速，电离种子会对通道内壁产生冲蚀作用，以上所有因素均会影响到通道的正常工作，进而影响磁流体发电的效率。

目前在磁流体发电装置的设计中经常采用水冷的方式，该方式虽然可以降低对材料的耐温要求，但是水冷方式会使近电极处的温度降低，进而导致该处电导率下降，直接增加了近电极处的电极压降，无论是功率密度还是电效率基本上都是随着电极压降成线性下降。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种针对磁流体发电通道的实际工作条件，用于磁流体发电的热沉式发电通道设计，该装置装配方便、成本低，能够在高温条件下稳定运行，而且便于更换发电段的基于热沉式的法拉第型磁流体发电通道装置。

为了解决技术问题，本发明的技术方案是：一种基于热沉式的法拉第型磁流体发电通道装置，包括两个发电组块、支撑框架、两个绝缘件、电极拉紧螺栓、头部发电电极、中间发电电极、第三绝缘垫片和电极间绝缘垫片；

所述两个发电组块间隔安装在支撑框架上，两个绝缘件垂直于发电组块并安装在两个发电组块之间且两个绝缘件相互平行，第三绝缘垫片安装在绝缘件和发电组块连接处之间，两个发电组块和两个绝缘件形成中空腔；

所述发电组块，包括平行设置的两个头部发电电极、多个中间发电电极和电极间绝缘垫片，所述两个头部发电电极之间设有多个中间发电电极，且多个中间发电电极之间设有电极间绝缘垫片；所述电极拉紧螺栓穿过头部发电电极、中间发电电极和电极间绝缘垫片的轴心将其连接为一体。

优选的，所述支撑框架包括四个拉紧螺杆、八个紧固螺母、两个连接法兰和两个过渡件，所述过渡件安装在两个平行设置的连接法兰之间，过渡件和连接法兰互相垂直，过渡件靠近连接法兰的两个端面具有台阶段，台阶段与连接法兰内侧贴合连接，所述四个拉紧螺杆穿过两个连接法兰并通过八个紧固螺母压紧。

优选的，还包括两个第一绝缘垫片，安装在两个过渡件之间并位于发电组块的两侧，所述第一绝缘垫片的端面具有台阶段，台阶段与过渡件内侧贴合连接。

优选的，还包括上盖板、下盖板和两个第二绝缘垫片，相对的安装在两个发电组块的两端，所述两个第二绝缘垫片分别安装在上盖板、下盖板与两个发电组块之间，第二绝缘垫片的端面具有台阶段，台阶段与过渡件内侧贴合连接。

优选的，还包括保护件和发电组块紧固螺栓，所述中间发电电极和头部发电电极的两侧端面具有台阶段，台阶段与绝缘件贴合连接，保护件安装在绝缘件外侧，所述发电组块紧固螺栓伸入上盖板并穿过保护件与下盖板连接。

优选的，所述连接法兰、过渡件、上盖板、下盖板和保护件均采用紫铜制成。

优选的，所述第一绝缘垫片、第二绝缘垫片、第三绝缘垫片、电极间绝缘垫片、电极拉紧螺栓、绝缘件、发电组块紧固螺栓均采用氮化硼陶瓷制成。

相对于现有技术，本发明的优点在于：

(1)本发明将易损耗的发电电极模块化，使用时易于更换，降低工作复杂程度，提高效率，便于工业实用；

(2)本发明针对磁流体发电通道的实际工作条件，提出了一种用于磁流体发电的热沉式发电通道装置，本通道主体采用紫铜等导热性较好的材料加工，热沉性优良的紫铜可以很快的进行热量的传递与吸收，避免了冷却水的使用，提高了磁流体发电通道的效率，紫铜的可加工性好，进行通道装配，发电段更换时较为方便，通道可靠性高；

(3)本发明磁流体发电通道密封多采用台阶，嵌套等机械密封方式，减少了连接件的使用，提高了通道的可靠性；

(4)本发明结构简单，使用寿命长，安全环保，成本低，省时省力，提高了工业生产效率。

附图说明

图1、本发明一种基于热沉式的法拉第型磁流体发电通道装置的结构示意图；

图2、本发明一种基于热沉式的法拉第型磁流体发电通道装置的发电模块的结构示意图；

附图标记说明：

1、紧固螺母，2、拉紧螺杆，3、电极紧固螺母，4、第一绝缘垫片，5、发电组块紧固螺栓；

6-1、上盖板，6-2、下盖板；

7、第二绝缘垫片，8、电极拉紧螺栓，9、连接法兰，10、中空腔，11、过渡件，12、头部发电电级，13、电极间绝缘垫片，14、中间发电电极，15、第三绝缘垫片，16、保护件，17、绝缘件。

具体实施方式

下面结合实施例描述本发明具体实施方式：

需要说明的是，本说明书所示意的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。

同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1～2所示，本发明公开了一种基于热沉式的法拉第型磁流体发电通道装置，包括两个发电组块、支撑框架、两个绝缘件17、电极拉紧螺栓8、头部发电电极12、中间发电电极14、第三绝缘垫片15和电极间绝缘垫片13，

两个发电组块间隔安装在支撑框架上，两个绝缘件17垂直于发电组块并安装在两个发电组块之间且两个绝缘件17相互平行，第三绝缘垫片15安装在绝缘件17和发电组块连接处之间，两个发电组块和两个绝缘件17形成中空腔；

发电组块，包括平行设置的两个头部发电电极12、多个中间发电电极14和电极间绝缘垫片13，两个头部发电电极12之间设有多个中间发电电极14，且多个中间发电电极14之间设有电极间绝缘垫片13；电极拉紧螺栓8穿过头部发电电极12、中间发电电极14和电极间绝缘垫片13的轴心将其连接为一体。

其中头部发电电极12、中间发电电极14均采用钨合金、钼合金等导电、导热性均较好的材料加工而成；

具体地，支撑框架包括四个拉紧螺杆2、八个紧固螺母1、两个连接法兰9和两个过渡件11，过渡件11安装在两个平行设置的连接法兰9之间，过渡件11和连接法兰9互相垂直，过渡件11靠近连接法兰9的两个端面具有台阶段，台阶段与连接法兰9内侧贴合连接，四个拉紧螺杆2穿过两个连接法兰9并通过八个紧固螺母1压紧。整个发电通道通过紧固螺母1和拉紧螺杆2固定，防止当温度较高时，部件不会因装配过紧而损坏，整体结构简单，稳定性高。

其中连接法兰9、过渡件11均采用紫铜等导热性较好的材料加工而成，加工时，过渡件11和连接法兰9之间的配合采用间隙配合，当温度较高时，部件不会因装配过紧而损坏。

具体地，还包括两个第一绝缘垫片4，安装在两个过渡件11之间并位于发电组块的两侧，第一绝缘垫片4的端面具有台阶段，台阶段与过渡件11内侧贴合连接。其中第一绝缘垫片4材料采用绝缘性、耐温性、抗冲击性较好的氮化硼陶瓷等材料加工而成，氮化硼陶瓷边缘加工成台阶型，当通道压紧时，台阶边缘可以起到较好的密封效果，无需使用其他连接件进行密封，避免了连接件热变形问题。

具体地，还包括上盖板、下盖板和两个第二绝缘垫片7，相对的安装在两个发电组块的两端，两个第二绝缘垫片7分别安装在上盖板6-1、下盖板6-2与两个发电组块之间，第二绝缘垫片7的端面具有台阶段，台阶段与过渡件内侧贴合连接。

具体地，还包括保护件16和发电组块紧固螺栓5，中间发电电极14和头部发电电极12的两侧端面具有台阶段，台阶段与绝缘件17贴合连接，保护件16安装在绝缘件外侧，发电组块紧固螺栓5伸入上盖板6-1并穿过保护件16与下盖板6-2连接；其中，盖板、保护件16均采用紫铜等导热性较好的材料加工而成。通道密封多采用台阶，嵌套等机械密封方式，减少了连接件的使用，提高了通道的可靠性。

其中，发电组块紧固螺栓5、电极紧固螺母3、电极间绝缘垫片13、盖板、第二绝缘垫片7、电极拉紧螺栓8、头部发电电极12、中间发电电极14、第三绝缘垫片15、保护件16、绝缘件17构成磁流体发电段；其中头部发电电极12中间开圆孔，用于安置电极紧固螺母3或电极拉紧螺栓8头；

中间发电电极14中间开圆孔，用于放置电极拉紧螺栓8；

中间发电电极14和头部发电电极12均成阶梯状，台阶处用于安置保护件16和绝缘件17；

头部发电电极12与中间发电电极14、中间发电电极14和中间发电电极14之间放置电极间绝缘垫片13，电极间绝缘垫片13用于绝缘作用；

电极拉紧螺栓8从头部发电电极12、中间发电电极14、电极间绝缘垫片13穿过，并通过电极紧固螺母3进行紧固，形成发电组块，盖板6覆盖到发电组块上，避免发电通道内高温气体的溢出；

绝缘件17作为发电段的绝缘面，与电极面构成一个矩形通道，绝缘件17外部放置保护件16，发电组块紧固螺栓5穿过盖板、保护件16，将发电段固定成一个整体，易损坏的发电段单独成一个整体，通过第二绝缘垫片7和过渡件11连接，更换方便。

具体地，所述连接法兰9、过渡件11、上盖板6-1、下盖板6-2和保护件16均采用紫铜制成。热沉性优良的紫铜可以很快的进行热量的传递与吸收，避免了冷却水的使用，提高了磁流体发电通道的效率，紫铜的可加工性好，进行通道装配，发电段更换时较为方便，通道可靠性高。

具体地，所述第一绝缘垫片4、第二绝缘垫片7、第三绝缘垫片15、电极间绝缘垫片13、电极拉紧螺栓8、绝缘件17、发电组块紧固螺栓5均采用绝缘性、耐温性、抗冲击性较好的氮化硼陶瓷等材料加工而成。

热沉性优良的紫铜可以很快的进行热量的传递与吸收，避免了冷却水的使用，提高了磁流体发电通道的效率，紫铜的可加工性好，进行通道装配，发电段更换时较为方便，通道可靠性高。通道密封多采用台阶，嵌套等机械密封方式，减少了连接件的使用，提高了通道的可靠性。易损坏的发电段单独成一个整体，通过绝缘垫片7和过渡件11连接，更换方便。

本发明针对磁流体发电通道的实际工作条件，提出了一种用于磁流体发电的热沉式发电通道设计方法与装置，该方法和装置装配方便、成本低，能够在高温条件下稳定运行，避免了冷却水的使用，提高了磁流体发电通道的效率，紫铜的可加工性好，进行通道装配，发电段更换时较为方便，通道可靠性高，使用寿命长，安全环保，成本低省时省力，提高了工业生产效率。

上面对本发明优选实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

不脱离本发明的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本发明不限于特定的实施方式，本发明的范围由所附权利要求限定。

Claims (7)

1.一种基于热沉式的法拉第型磁流体发电通道装置，其特征在于：包括两个发电组块、支撑框架、两个绝缘件、电极拉紧螺栓、头部发电电极、中间发电电极、第三绝缘垫片(15)和电极间绝缘垫片，

所述两个发电组块间隔安装在支撑框架上，两个绝缘件垂直于发电组块并安装在两个发电组块之间且两个绝缘件相互平行，第三绝缘垫片安装在绝缘件和发电组块连接处之间，两个发电组块和两个绝缘件形成中空腔；

所述发电组块，包括平行设置的两个头部发电电极、多个中间发电电极和电极间绝缘垫片，所述两个头部发电电极之间设有多个中间发电电极，且多个中间发电电极之间设有电极间绝缘垫片；所述电极拉紧螺栓穿过头部发电电极、中间发电电极和电极间绝缘垫片的轴心将其连接为一体。

2.根据权利要求1所述的一种基于热沉式的法拉第型磁流体发电通道装置，其特征在于：所述支撑框架包括四个拉紧螺杆、八个紧固螺母、两个连接法兰和两个过渡件，所述过渡件安装在两个平行设置的连接法兰之间，过渡件和连接法兰互相垂直，过渡件靠近连接法兰的两个端面具有台阶段，台阶段与连接法兰内侧贴合连接，所述四个拉紧螺杆穿过两个连接法兰并通过八个紧固螺母压紧。

3.根据权利要求2所述的一种基于热沉式的法拉第型磁流体发电通道装置，其特征在于：还包括两个第一绝缘垫片(4)，安装在两个过渡件之间并位于发电组块的两侧，所述第一绝缘垫片的端面具有台阶段，台阶段与过渡件内侧贴合连接。

4.根据权利要求3所述的一种基于热沉式的法拉第型磁流体发电通道装置，其特征在于：还包括上盖板、下盖板和两个第二绝缘垫片(7)，相对的安装在两个发电组块的两端，所述两个第二绝缘垫片(7)分别安装在上盖板、下盖板与两个发电组块之间，第二绝缘垫片(7)的端面具有台阶段，台阶段与过渡件内侧贴合连接。

5.根据权利要求4所述的一种基于热沉式的法拉第型磁流体发电通道装置，其特征在于：还包括保护件和发电组块紧固螺栓，所述中间发电电极和头部发电电极的两侧端面具有台阶段，台阶段与绝缘件贴合连接，保护件安装在绝缘件外侧，所述发电组块紧固螺栓伸入上盖板并穿过保护件与下盖板连接。

6.根据权利要求1-5任一项所述的一种基于热沉式的法拉第型磁流体发电通道装置，其特征在于：所述连接法兰、过渡件、上盖板、下盖板和保护件均采用紫铜制成。

7.根据权利要求1-5任一项所述的一种基于热沉式的法拉第型磁流体发电通道装置，其特征在于：所述第一绝缘垫片(4)、第二绝缘垫片(7)、第三绝缘垫片(15)、电极间绝缘垫片、电极拉紧螺栓、绝缘件、发电组块紧固螺栓均采用氮化硼陶瓷制成。

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