CN114726184B - 一种水冷法拉第型磁流体发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种水冷法拉第型磁流体发电装置，主要由端部陶瓷、电极、电极间绝缘板、挡板、螺栓、冷却板、冷却水回路组成。端部陶瓷、电极、电极间绝缘板、挡板、螺栓、冷却板沿通道中心线对称设置。两块冷却板通过螺栓固定连接，在螺栓预紧力作用下，将端部陶瓷、电极、电极间绝缘板、挡板固定。电极成对放置，上下对称，电极和电极之间设置有电极间绝缘板。进水管有效截面积大于出水管有效截面积，使电极得到充分冷却，提高冷却水对电极的冷却效果，通道侧壁采用不锈钢等非磁性材料加工成中心水冷结构，侧壁与通道内气流之间安装陶瓷，避免通道内气流温度过高烧蚀侧壁，提高了通道寿命。
Description
技术领域
本发明属于磁流体动力技术领域，具体涉及一种水冷法拉第型磁流体发电装置。
背景技术
磁流体发电是一种无需机械部件，可以直接从导电流体中进行能量提取的发电方式。它的基本原理是法拉第电磁感应定律，即导电流体在通道中切割磁感线产生感应电动势，对电能进行提取并输出。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发电的核心机构，其中的热电磁转换过程就发生在该机构内。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，直线型磁流体发电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。
开展磁流体发电实验研究首先要产生导电流体，对于空气，在2000K才开始微弱电离，在4000K以上才能产生满足开展磁流体发电实验的导电流体。开展磁流体技术实验时，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热沉式结构，该方式虽然可以降低发电通道的设计要求，但是由于高温气流的烧蚀作用，该类型通道工作寿命较短，无法满足开展长航时磁流体发电实验的要求。
发明内容
本发明针对开展长航时磁流体发电实验的需求，提出了一种水冷法拉第型磁流体发电装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种水冷法拉第型磁流体发电装置主要由端部陶瓷、电极、电极间绝缘板、挡板、螺栓、冷却板、冷却水回路组成。
所述电极、所述电极间绝缘板、所述挡板、所述螺栓、所述冷却板沿磁流体流经的通道的中心线对称设置。
所述冷却板位于所述发电装置的前后两侧的最外部，两块冷却板通过螺栓固定连接，两块冷却板在所述螺栓预紧力作用下，将所述端部陶瓷、所述电极、所述电极间绝缘板、所述挡板固定。
所述电极成对放置，上下对称；在上侧、下侧，电极和电极之间设置有电极间绝缘板。所述电极、所述电极间绝缘板位于两块所述挡板之间；所述电极、所述挡板与所述端部陶瓷相接。
所述端部陶瓷与所述电极、所述挡板相接。
所述冷却板位于所述挡板、所述端部陶瓷的外侧，与所述挡板、所述端部陶瓷相接。
所述冷却水回路与所述电极通过各自的螺纹相连接。
所述电极、所述电极间绝缘板、所述挡板形成磁流体流经的通道；通道截面为矩形，与端部陶瓷通孔相同。所述电极、所述电极间绝缘板相接形成通道的上侧面、下侧面，两个挡板形成通道的前侧面、后侧面。所述电极、所述电极间绝缘板、所述挡板形成通道，所述端部陶瓷的通孔为通道的延伸段。
上述的水冷法拉第型磁流体发电装置，所述冷却板包括盖板和底板，所述盖板和所述底板固定连接。所述盖板和所述底板组成的所述冷却板为中空的长方体板，中空部位为长方体形。
所述盖板为长方体板，所述底板为带凹槽的板状结构，所述凹槽为长方体形，所述凹槽的边距离底板外侧的边的距离相等，在所述底板长方体凹槽的角部设置有进水孔和出水孔，所述进水孔和所述出水孔以凹槽中心点对称设置。冷却水自所述进水孔进入，流经长方体凹槽，由所述出水孔流出。所述盖板带凹槽的面与所述底板相接，所述盖板与所述底板固定连接形成的中空部位。
所述底板与所述挡板相接。
所述盖板和所述底板均为无磁不锈钢。
上述的水冷法拉第型磁流体发电装置，所述电极为T字形整体结构，大端、小端均为长方体形，大端位于外侧，小端位于内侧，大端的螺纹与冷却水回路的螺纹相连接。
所述电极大端设置有空腔，冷却水进入空腔然后流出，对电极进行冷却。
所述电极间绝缘板为T字形整体结构，大端、小端均为长方体形，大端位于外侧，小端位于内侧；所述电极间绝缘板与所述电极匹配相接，在通道的上侧或下侧的电极、电极间绝缘板与挡板匹配相接。
上述的水冷法拉第型磁流体发电装置，所述电极采用钨铜合金或紫铜加工而成；电极间绝缘板采用氧化铝或氮化硼材料加工而成。
上述的水冷法拉第型磁流体发电装置，所述冷却水回路用于电极冷却，冷却水回路包括进水管、回水管、电极接线柱、回水管出口段。
进水管与回水管固定连接，电极接线柱与进水管固定连接，回水管出口段与回水管固定连接，回水管的螺纹与电极的螺纹相接。
冷却水由进水管进入，经过电极的空腔、回水管，由回水管出口段流出。
电极冷却水进水管的有效截面积大于回水管的有效截面积；回水管出口段水流方向与回水管的水流方向呈90°。电极接线柱的中心线与进水管的中心线成90°、与回水管出口段的中心线呈180°。
所述冷却水回路为无磁不锈钢材料。
上述的水冷法拉第型磁流体发电装置，所述端部陶瓷为带通孔的长方体形，通孔中心线与端部陶瓷的同向中心线重合。
上述的水冷法拉第型磁流体发电装置，所述挡板为带2阶凸台的整体结构，挡板凸台面位于内侧，其凸台与所述电极、所述电极间绝缘板相匹配，所述挡板的凸台与所述电极、所述电极间绝缘板相接；所述挡板凸台的相对面为平面，位于外侧，与所述底板相接；挡板凸台顶面为通道的前后侧壁。
本发明的有益效果是：
一种水冷法拉第型磁流体发电装置的进水管有效截面积大于出水管有效截面积，这样可以使电极得到充分冷却，避免死区的存在。电极冷却水回水管出口与电极冷却水回水管呈90°，并且从电极冷却水回水管直接引出，电极冷却水进水口为电极冷却水进水管的一部分，这样制作的电极冷却水回路结构简单，并且尽量减少进水路阻力，提高回水路阻力，可以提高冷却水对电极的冷却效果。
通道侧壁采用不锈钢等非磁性材料加工成中心水冷结构，侧壁与通道内气流之间安装陶瓷，该结构一方面避免通道内气流温度过高烧蚀侧壁，降低通道寿命，无法长时间开展磁流体发电实验，另一方面由于耐高温陶瓷的存在，降低了通道内壁面处的温度梯度，提高了近壁面处的温度，有助于提高发电通道的性能。电极采用钨铜合金或紫铜等导电性能好且耐温较高的材料加工而成，且每个电极单独通过冷却水进行冷却，采用分路冷却的方式，可以提高电极的冷却效果。易损坏的发电段单独成一个整体，便于更换。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明俯视图；
图2是本发明左视图；
图3是本发明中心线竖直截面剖视图；
图4是在电极和电极间绝缘板相接处的通道横截面剖视图；
图5是挡板左视图；
图6是挡板正视图；
图7是端部陶瓷左视图；
图8是端部陶瓷正视图；
图9是电极间陶瓷左视图；
图10是电极间陶瓷正视图；
图11是电极左视图；
图12是电极俯视图；
图13是电极正视图；
图14是盖板左视图；
图15是盖板俯视图；
图16是盖板正视图；
图17是底板左视图；
图18是底板俯视图；
图19是底板正视图。
图中：1.盖板；2.端部陶瓷；3.进水管；4.回水管；5.电极；6.电极间绝缘板；7.底板；8.接线柱；9.挡板；10.螺栓；11.回水管出口段；12.冷却板。13.冷却水回路。
具体实施方式
实施例1
一种水冷长航时法拉第型磁流体发电装置包括端部陶瓷2、电极5、电极间绝缘板6、挡板9、螺栓10、冷却板12、冷却水回路13。
如图1、图3所示，冷却板12为两块，分别位于该发电装置的前后两侧的最外部，两块冷却板12通过螺栓10固定连接，两块冷却板12在螺栓10预紧力作用下，将端部陶瓷2、电极5、电极间绝缘板6、挡板9固定。
电极5成对放置，上下对称；电极间绝缘板6成对放置，上下对称。在上侧或下侧，电极5和电极5之间设置有电极间绝缘板6。
电极5、电极间绝缘板6在前后方向与挡板9相接，电极5、电极间绝缘板6位于两块挡板9之间。电极5、挡板9与端部陶瓷2相接。
在电极5、电极间绝缘板6交替相接形成的交替相接部分的两端为电极5，两端的电极5、挡板9与端部陶瓷2相接。
端部陶瓷2有2个，对称设置，位于发电装置的两端。
在挡板9的外侧与冷却板12相接。挡板9和冷却板12成对对称设置。
电极5、电极间绝缘板6、挡板9、螺栓10、冷却板12沿磁流体流经的通道的中心线对称设置。
冷却板12位于挡板9、端部陶瓷2的外侧，与挡板9、端部陶瓷2相接。
冷却板12与电极5、冷却水回路13均不相接触。
冷却水回路13与电极5通过各自的螺纹相连接。
冷却板12包括盖板1和底板7，盖板1和底板7均由无磁不锈钢加工而成，以避免对电磁铁产生的磁场造成的影响。盖板1和底板7采用焊接方式固定连接。盖板1和底板7组成的冷却板12为中空的长方体板，中空部位为长方体形。
如图14至图19所示，盖板1为长方体板，位于外侧；底板7为带凹槽的板状结构，位于内侧，凹槽为长方体形，凹槽的边距离底板7外侧的边的距离相等，在底板7长方体凹槽的角部设置有进水孔和出水孔，进水孔和出水孔以凹槽中心点对称设置。冷却水自进水孔进入，流经长方体凹槽，由出水孔流出。盖板1带凹槽的面与底板7相接，盖板1与底板7固定连接形成的中空部位，即盖板1凹槽部位。
底板7与挡板9相接。
如图11、图12、图13所示，电极5为T字形对称结构，整体结构，有大端、小端，大端、小端均为长方体形，大端位于外侧，小端位于内侧，大端的螺纹与冷却水回路13的螺纹相连接。工作时，前后两侧放置磁极，小端端面在通道内与磁流体相接触，在小端端面得到或失去电子，上下侧成对的电极5之间形成电动势；小端端面为通道的上、下侧壁的一部分。
电极5大端设置有空腔，冷却水进入空腔然后流出，对电极5进行冷却。
如图9、图10所示，电极间绝缘板6为T字形对称结构，整体结构，有大端、小端，大端、小端均为长方体形，大端位于外侧，小端位于内侧；电极间绝缘板6与电极5相接，在上侧或下侧的电极5、电极间绝缘板6与挡板9匹配相接；小端端面与电极5的小端端面共同形成通道的上、下侧壁。
电极5采用钨铜合金或紫铜加工而成，且每个电极5单独通过冷却水进行冷却，采用分路冷却的方式，可以提高电极5的冷却效果。
电极间绝缘板6采用氧化铝或氮化硼材料加工而成，绝缘。
如图2、图4所示，冷却水回路13用于电极冷却，冷却水回路13包括进水管3、回水管4、电极接线柱8、回水管出口段11。进水管3与回水管4固定连接，电极接线柱8与进水管3固定连接，回水管出口段11与回水管4固定连接，回水管4的螺纹与电极5的螺纹相接。
电极冷却水为去离子水，由进水管3进入，经过电极5的空腔、回水管4，由回水管出口段11流出。
电极冷却水进水管3的有效截面积大于回水管4的有效截面积，这样可以使电极5得到充分冷却，避免电极5空腔中冷却水流动死区的存在。回水管出口段11水流方向与回水管4的水流方向呈90°。电极接线柱8的中心线与进水管3的中心线成90°、与回水管出口段11的中心线呈180°。冷却水回路13使用无磁不锈钢材料加工而成，一方面可以避免对电磁铁磁场的影响，另一方面也降低磁流体发电时电流回路中功率的损失。
如图4、图5、图6所示，挡板9为带2阶凸台的整体结构，挡板9凸台面位于内侧，其凸台与电极5、电极间绝缘板6相匹配，挡板9的凸台与电极5、电极间绝缘板6相接；挡板9凸台的相对面为平面，位于外侧，与冷却板12的底板7相接；挡板9凸台顶面为通道的前后侧壁。挡板9材料为陶瓷，绝缘。
如图7、图8所示，端部陶瓷2为带通孔的长方体形，通孔中心线与端部陶瓷2的同向中心线重合；端部陶瓷2的通孔部分为通道的延伸段。端部陶瓷2材料为陶瓷，绝缘。
如图3、图4所示，电极5、电极间绝缘板6、挡板9形成磁流体流经的通道，工作时，在成对的电极间形成电势差。通道截面为矩形，与端部陶瓷2通孔相同。电极5、电极间绝缘板6相接形成通道的上侧面、下侧面，两个挡板9形成通道的前侧面、后侧面。电极5、电极间绝缘板6、挡板9形成通道，端部陶瓷2的通孔为通道的延伸段。
Claims (7)
1.一种水冷法拉第型磁流体发电装置，其特征在于，主要由端部陶瓷(2)、电极(5)、电极间绝缘板(6)、挡板(9)、螺栓(10)、冷却板(12)、冷却水回路(13)组成；所述电极(5)、所述电极间绝缘板(6)、所述挡板(9)、所述螺栓(10)、所述冷却板(12)沿磁流体流经的通道的中心线对称设置；
所述冷却板(12)位于所述发电装置的前后两侧的最外部，两块冷却板(12)通过螺栓(10)固定连接，两块冷却板(12)在所述螺栓(10)预紧力作用下，将所述端部陶瓷(2)、所述电极(5)、所述电极间绝缘板(6)、所述挡板(9)固定；
所述电极(5)成对放置，上下对称；在上侧、下侧，电极(5)和电极(5)之间设置有电极间绝缘板(6)；
所述电极(5)、所述电极间绝缘板(6)位于两块所述挡板(9)之间；所述电极(5)、所述挡板(9)与所述端部陶瓷(2)相接；
所述端部陶瓷(2)与所述电极(5)、所述挡板(9)相接；
所述冷却板(12)位于所述挡板(9)、所述端部陶瓷(2)的外侧，与所述挡板(9)、所述端部陶瓷(2)相接；
所述冷却水回路(13)与所述电极(5)通过各自的螺纹相连接；
所述电极(5)、所述电极间绝缘板(6)、所述挡板(9)形成磁流体流经的通道；通道截面为矩形，与端部陶瓷(2)通孔相同；所述电极(5)、所述电极间绝缘板(6)相接形成通道的上侧面、下侧面，两个挡板(9)形成通道的前侧面、后侧面；所述电极(5)、所述电极间绝缘板(6)、所述挡板(9)形成通道，所述端部陶瓷(2)的通孔为通道的延伸段。
2.根据权利要求1所述的水冷法拉第型磁流体发电装置，其特征在于，所述冷却板(12)包括盖板(1)和底板(7)，所述盖板(1)和所述底板(7)固定连接；所述盖板(1)和所述底板(7)组成的所述冷却板(12)为中空的长方体板，中空部位为长方体形；
所述盖板(1)为长方体板，所述底板(7)为带凹槽的板状结构，所述凹槽为长方体形，所述凹槽的边距离底板(7)外侧的边的距离相等，在所述底板(7)长方体凹槽的角部设置有进水孔和出水孔，所述进水孔和所述出水孔以凹槽中心点对称设置；冷却水自所述进水孔进入，流经长方体凹槽，由所述出水孔流出；所述盖板(1)带凹槽的面与所述底板(7)相接，所述盖板(1)与所述底板(7)固定连接形成的中空部位；
所述底板(7)与所述挡板(9)相接；
所述盖板(1)和所述底板(7)均为无磁不锈钢。
3.根据权利要求1所述的水冷法拉第型磁流体发电装置，其特征在于，所述电极(5)为T字形整体结构，大端、小端均为长方体形，大端位于外侧，小端位于内侧，大端的螺纹与冷却水回路(13)的螺纹相连接；
所述电极(5)大端设置有空腔，冷却水进入空腔然后流出，对电极(5)进行冷却；
所述电极间绝缘板(6)为T字形整体结构，大端、小端均为长方体形，大端位于外侧，小端位于内侧；所述电极间绝缘板(6)与所述电极(5)匹配相接，在通道的上侧或下侧的电极(5)、电极间绝缘板(6)与挡板(9)匹配相接。
4.根据权利要求1所述的水冷法拉第型磁流体发电装置，其特征在于，所述电极(5)采用钨铜合金或紫铜加工而成；电极间绝缘板(6)采用氧化铝或氮化硼材料加工而成。
5.根据权利要求1所述的水冷法拉第型磁流体发电装置，其特征在于，所述冷却水回路(13)用于电极冷却，冷却水回路(13)包括进水管(3)、回水管(4)、电极接线柱(8)、回水管出口段(11)；
进水管(3)与回水管(4)固定连接，电极接线柱(8)与进水管(3)固定连接，回水管出口段(11)与回水管(4)固定连接，回水管(4)的螺纹与电极(5)的螺纹相接；
冷却水由进水管(3)进入，经过电极(5)的空腔、回水管(4)，由回水管出口段(11)流出；
电极冷却水进水管(3)的有效截面积大于回水管(4)的有效截面积；回水管出口段(11)水流方向与回水管(4)的水流方向呈90°；电极接线柱(8)的中心线与进水管(3)的中心线成90°、与回水管出口段(11)的中心线呈180°；
所述冷却水回路(13)为无磁不锈钢材料。
6.根据权利要求1所述的水冷法拉第型磁流体发电装置，其特征在于，所述端部陶瓷(2)为带通孔的长方体形，通孔中心线与端部陶瓷(2)的同向中心线重合。
7.根据权利要求1所述的水冷法拉第型磁流体发电装置，其特征在于，所述挡板(9)为带2阶凸台的整体结构，挡板(9)凸台面位于内侧，其凸台与所述电极(5)、所述电极间绝缘板(6)相匹配，所述挡板(9)的凸台与所述电极(5)、所述电极间绝缘板(6)相接；所述挡板(9)凸台的相对面为平面，位于外侧，与所述底板(7)相接；挡板(9)凸台顶面为通道的前后侧壁。
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