DE1121203B

DE1121203B - Magnetogas dynamic alternator

Info

Publication number: DE1121203B
Application number: DEA33390A
Authority: DE
Inventors: Alfred Kaech
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1959-11-14
Filing date: 1959-11-28
Publication date: 1962-01-04
Also published as: FR1273274A

Description

Magnetogasdynamischer Wechselstromgenerator Die bisher vorgeschlagenen magnetogasdynamischen Generatoren umfassen einen von ionisiertem Gas durchströmten Kanal, Mittel zur Erzeugung eines quer zur Strömungsrichtung des Gases verlaufenden Magnetfeldes und Elektroden zur Entnahme der durch die Trennung der elektrischen Ladungsträger im Magnetfeld nutzbar gewordenen elektrischen Leistung.Magnetogasdynamic alternator The previously proposed Magnetogas dynamic generators include an ionized gas flowing through it Channel, means for generating a transverse to the direction of flow of the gas Magnetic field and electrodes for taking the electrical through the separation Charge carriers in the magnetic field electrical power that has become usable.

Besondere Schwierigkeiten stellen sich der Realisierung der Elektroden entgegen. Im Hinblick auf die hohe Gastemperatur - als Quelle für den Gasstrom wird üblicherweise eine Brennkammer vorgesehen - kommt als Elektrodenmaterial z. B. Kohle in Betracht. Der im Betrieb auftretende Elektrodenabbrand erfordert Nachschubeinrichtungen mit all ihren Komplikationen. Bei Generatoren von der zur Zeit als besonders wirtschaftlich betrachteten Größe müssen von den bewegbaren Elektroden Ströme in der Größenordnung 105 A abgenommen werden. Aber selbst dann, wenn diese Aufgaben praktisch befriedigend erfüllt wären, verblieben noch weitere mit den Elektroden verbundene Schwierigkeiten, von denen hier lediglich die Eigenemission erwähnt sei.The realization of the electrodes poses particular difficulties opposite. With regard to the high gas temperature - as a source for the gas flow usually a combustion chamber is provided - comes as electrode material z. B. Coal into consideration. The electrode burn-off that occurs during operation requires replenishment equipment with all its complications. In the case of generators at the moment as particularly economical The magnitude considered must have currents of the order of magnitude from the movable electrodes 105 A can be removed. But even if these tasks are practically satisfactory were fulfilled, there were still other problems associated with the electrodes, of which only the own emission is mentioned here.

Es ist ein magnetogasdynamischer Generator bekannt, der keine Elektroden aufweist und der direkt Wechselstrom liefert. Der bekannte Generator umfaßt einen von ionisiertem Gas durchströmten, im wesentlichen ringförmigen Kanal und Mittel zur Erzeugung eines quer zur Strömungsrichtung verlaufenden Magnetfeldes, wobei die beiden Polstücke, zwischen welchen der ringförmige Kanal verläuft, auf der Eintrittsseite des Gases in den Kanal durch Joche verbunden sind, welche Erregerwicklungen tragen. Die Polstücke weisen zudem Wicklungen zur Abnahme der erzeugten elektrischen Leistung auf.A magnetogasdynamic generator is known which has no electrodes and which supplies alternating current directly. The known generator includes one substantially annular channel and means through which ionized gas flows for generating a magnetic field running transversely to the direction of flow, wherein the two pole pieces, between which the annular channel runs, on the entry side of the gas in the channel are connected by yokes, which carry excitation windings. The pole pieces also have windings for taking the generated electrical power on.

Der bekannte Generator hat den Nachteil, daß der Streufluß im Gas bedeutend ist, weshalb eine beträchtliche Blindleistung aufzubringen ist, und daß die Erregerwicklungen gegenüber dem Induktionsfluß in den Polstücken und damit gegenüber den Sekundärwicklungen nicht entkoppelt sind.The known generator has the disadvantage that the leakage flux in the gas what is important is why a considerable reactive power has to be applied, and that the excitation windings compared to the induction flux in the pole pieces and thus opposite the secondary windings are not decoupled.

Diese Nachteile werden durch den erfindungsgemäßen magnetogasdynamischen Generator beseitigt. Er ist dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal zwischen Kern und Mantel mindestens einer nach Art eines Manteltransformators aufgebauten magnetischen Struktur verläuft, welche mindestens zwei gegensinnig gespeiste Wicklungen zur Erzeugung eines den Kanal radial durchsetzenden Magnetfeldes und eine Sekundärwicklung zur Entnahme der erzeugten Wechselstromleistung trägt.These disadvantages are caused by the magnetogasdynamic according to the invention Generator eliminated. It is characterized in that the channel between the core and jacket of at least one magnetic structure constructed in the manner of a jacket transformer Structure runs which generate at least two oppositely fed windings a magnetic field radially penetrating the channel and a secondary winding for Removal of the generated alternating current power.

Aufbau und Wirkungsweise eines solchen Generators seien an Hand eines in den Fig. 1 a und 1 b gezeigten Ausführungsbeispieles näher erläutert.The structure and mode of operation of such a generator are based on one in Figs. 1 a and 1 b illustrated embodiment shown in more detail.

Die magnetische Struktur umfaßt den Kern 2 mit kreisförmigem Querschnitt, den Mantel 4 mit kreisringförmigem Querschnitt und eine Mehrzahl radialer »Speichen« 3 als Verbindung von Kern und Mantel. Der Kanal 1, in welchem das Gas in der Richtung V strömt, verläuft im aktiven Teil des Generators zwischen Kern 2 und Mantel 4; er weist daher dort einen kreisringförmigen Querschnitt auf. Um nun ein elektrisches Feld E entstehen zu lassen, dessen in sich geschlossene elektrische Feldlinien den Kern 2 umschließen, ist es notwendig, ein den Kanal radial durchsetzendes Magnetfeld H zu applizieren. Ein zweckmäßig gestaltetes Magnetfeld, dessen Feldlinien etwa den in Fig. 1 a gestrichelt eingezeichneten Verlauf aufweisen, wird durch die beiden Wicklungen 5' und 5" erzeugt. Diese beiden Wicklungen müssen hierzu in entgegengesetztem Umlaufsinn vom Erregerstrom durchflossen werden. Wird das Magnetfeld mit Wechselstrom erregt, so ist auch das entstehende, den Kern 2 umschließende elektrische Feld ein Wechselfeld, dessen Linienintegral die Primärspannung des Manteltransformators darstellt. Es kann daher an der Sekundärwicklung 6 eine Wechselspannung abgenommen werden. Zufolge der gegensinnigen Speisung der Wicklungen 5', 5" sind diese gegenüber dem Induktionsfluß im Transformator und damit auch gegenüber der Sekundärwicklung 6 entkoppelt. Der Induktionsfluß eilt dem Erregerfluß um 90° in der Phase nach, so daß für beide Flüsse verhältnismäßig hohe Kerninduktionen zugelassen werden können. Die Wände des Kanals müssen mindestens im aktiven Teil des Generators mit elektrisch isolierendem Belag versehen -sein. Eine angemessene Kühlung muß dafür sorgen, daß nirgends in der magnetischen Struktur der Curie-Punkt erreicht wird. Mit Rücksicht auf die hohe Geschwindigkeit der Gasströmung sind insbesondere Kern und Speichen so zu gestalten, daß minimale Strömungswiderstände entstehen. Diese Maßnahme ist in Fig. 1 a als Zuspitzung der Enden des Kernes 2 angedeutet. Die Teile der magnetischen Struktur sind zweckmäßig aus lamelliertem Eisen aufzubauen. Genauere Untersuchungen der Betriebsbedingungen eines solchen Generators lassen erkennen, daß es zweckmäßig ist, kleine Magnetfeldstärken, größere Leitfähigkeit des Gases und kleinere Längen des aktiven Teils vorzusehen, als es für die bisher vorgeschlagenen, mit Elektroden versehenen Gleichstromgeneratoren von vergleichbaren Leistungen als optimal bekanntgeworden ist.The magnetic structure comprises the core 2 with a circular cross-section, the jacket 4 with an annular cross-section and a plurality of radial "spokes" 3 as a connection between the core and the jacket. The channel 1, in which the gas flows in the direction V, runs in the active part of the generator between core 2 and jacket 4; it therefore has a circular cross-section there. In order to create an electrical field E whose self-contained electrical field lines enclose the core 2, it is necessary to apply a magnetic field H which radially penetrates the channel. A suitably designed magnetic field, the field lines of which have roughly the course shown in dashed lines in FIG The resulting electric field surrounding the core 2 is also an alternating field, the line integral of which represents the primary voltage of the jacket transformer. An alternating voltage can therefore be picked up on the secondary winding 6. As a result of the opposing feed of the windings 5 ', 5 ", these are opposite one another the induction flux in the transformer and thus also decoupled from the secondary winding 6. The induction flow lags the excitation flow by 90 ° in phase, so that relatively high core inductions can be permitted for both flows. The walls of the duct must be provided with an electrically insulating coating at least in the active part of the generator. Adequate cooling must ensure that the Curie point is not reached anywhere in the magnetic structure. In view of the high speed of the gas flow, the core and spokes, in particular, are to be designed in such a way that there is minimal flow resistance. This measure is indicated in FIG. 1 a as the tapering of the ends of the core 2. The parts of the magnetic structure are expediently made of laminated iron. More detailed investigations of the operating conditions of such a generator show that it is expedient to provide low magnetic field strengths, greater conductivity of the gas and shorter lengths of the active part than has become known to be optimal for the previously proposed, electrode-equipped direct current generators of comparable performance.

Aus der Fig. 1 ist ersichtlich, daß sich innerhalb der magnetischen Struktur in der Nachbarschaft der Speichen 3 mehr oder weniger große Räume befinden, die praktisch frei von dem durch die Wicklungen 5', 5" erregten Magnetfeld (gestrichelt) sind. Der Induktionsfluß des Transformators kann daher im leitenden Gas, das sich in diesen Räumen befindet, Ströme induzieren, welche den Kern 2 umschließen. Sie lassen sich unterdrücken durch die Anordnung isolierender Platten 7 in radialen Ebenen unmittelbar hinter den eintrittsseitigen bzw. vor den austrittsseitigen Speichen.From Fig. 1 it can be seen that there are more or less large spaces within the magnetic structure in the vicinity of the spokes 3 , which are practically free of the magnetic field excited by the windings 5 ', 5 "(dashed) The transformer can therefore induce currents in the conductive gas located in these spaces which surround the core 2. They can be suppressed by arranging insulating plates 7 in radial planes immediately behind the spokes on the inlet side or in front of the spokes on the outlet side.

An Stelle der in Fig. 1 a gezeigten Zuführung des Gases in axialer Richtung kann auch eine Zuführung durch den Mantel hindurch treten. Die Fig. 2 zeigt eine solche Anordnung, bei welcher für jeden der beispielsweise vier Sektoren (vgl. Fig. 1 a) eine eigene Brennkammer 8 zur Erzeugung des Gasstromes vorgesehen ist. Der eintrittsseitige Speichenstern nach Fig. 1 a kann in dieser Anordnung durch eine ungeteilte Platte 9 ersetzt werden. Dasselbe kann austrittsseitig geschehen, wenn die Gasabfuhr ebenfalls radial durch den Mantel hindurch erfolgt.Instead of the supply of gas in the axial direction shown in FIG. 1 a, a supply can also pass through the jacket. FIG. 2 shows such an arrangement in which a separate combustion chamber 8 for generating the gas flow is provided for each of the, for example, four sectors (cf. FIG. 1 a). The spoke star on the inlet side according to FIG. 1 a can be replaced by an undivided plate 9 in this arrangement. The same can happen on the outlet side if the gas is also discharged radially through the jacket.

Eine andere mögliche Bauform ist in Fig. 3 gezeigt. Die Zuführung des Gases in den kreisringförmigen Kanal geschieht über eine Mehrzahl von Zuleitungsrohren 9 aus einer toroidförmigen Brennkammer 10. Die Figur deutet durch gestrichelte Linien die zweckmäßige Führung eines Kühlmediums an. An Stelle einer toroidförmigen Brennkammer kann natürlich auch für jedes Zuleitungsrohr eine eigene Brennkammer vorgesehen sein.Another possible design is shown in FIG. 3. The gas is fed into the annular channel via a plurality of feed pipes 9 from a toroidal combustion chamber 10. The figure indicates the appropriate routing of a cooling medium by dashed lines. Instead of a toroidal combustion chamber, a separate combustion chamber can of course also be provided for each supply pipe.

Der Generator für einphasigen Wechselstrom kann bei zweckmäßiger Dimensionierung praktisch die volle zur Konversion verfügbare thermische Energie in elektrische umsetzen. Hierzu muß der aktive Teil so lang sein, daß die Laufzeit des Gasstromes in ihm mindestens ein Viertel der Periodendauer des Wechselfeldes beträgt. Es können dabei auch mehrere magnetische Strukturen vorgesehen werden, die vom Gasstrom nacheinander durchflossen werden.The generator for single-phase alternating current can, if dimensioned appropriately practically the full thermal energy available for conversion into electrical energy realize. For this purpose, the active part must be so long that the running time of the gas flow in it is at least a quarter of the period of the alternating field. It can several magnetic structures are also provided, which are successively released by the gas flow are flowed through.

Mehrphasenwechselstrom (z. B. zwei- oder dreiphasig) kann derart erzeugt werden, daß man den einzelnen Phasen je eine magnetische Struktur zuordnet, deren Wicklungen aus einer entsprechenden Mehrphasenquelle gespeist werden. Die einzelnen Kanäle können von einer gemeinsamen Brennkammer parallel gespeist werden oder auch eigene Brennkammern aufweisen. Die Kanäle lassen sich aber auch längs eines einzigen Weges hintereinander anordnen, so daß sie vom Gasstrom nacheinander durchflossen werden. Es muß dann dafür gesorgt sein, daß jeder Teil des Generators von der verfügbaren Leistung jeweils nur den ihm gemäß der jeweiligen Phasenzahl zukommenden Teil aufnimmt. Dabei kann die wirksame Länge der aktiven Teile verhältnismäßig klein gehalten werden.Polyphase alternating current (z. B. two- or three-phase) may be generated such that the individual phases depending assigns a magnetic structure, the windings are fed from a corresponding multiple phase source. The individual channels can be fed in parallel from a common combustion chamber or they can also have their own combustion chambers. The channels can also be arranged one behind the other along a single path so that the gas stream flows through them one after the other. It must then be ensured that each part only the receiving of the generator from the power available to him in accordance with the respective phase number zukommenden part. The effective length of the active parts can be kept relatively small.

Die Fig.4 zeigt eine Anordnung zur Erzeugung von Drehstrom. Sie enthält drei miteinander vereinigte magnetische Strukturen von der beschriebenen Art mit ihren Wicklungen, die vom Gas nacheinander durchströmt werden. Die drei Erregerwicklungspaare 5', 5" werden aus einer Drehstromquelle gespeist; dementsprechend kann an den beispielsweise in Sternschaltung miteinander verbundenen Sekundärwicklungen 6 Drehstromleistung entnommen werden.4 shows an arrangement for generating three-phase current. It contains three magnetic structures of the type described, which are combined with one another, with their windings through which the gas flows one after the other. The three pairs of excitation windings 5 ', 5 " are fed from a three-phase current source; accordingly, three-phase power can be drawn from the secondary windings 6 connected to one another in a star connection, for example.

Abgesehen von der Speisung der Wicklungen 5', 5" mit Wechselstrom kommen auch andere Maßnahmen zur Erzeugung eines zeitlich veränderlichen Induktionsflusses in Frage. Es können z. B. die Wicklungen 5', 5" mit Gleichstrom gespeist werden, wenn dafür gesorgt wird, daß die elektrische Leitfähigkeit und/oder die Geschwindigkeit des Gases sieh periodisch ändert. Eine Beeinflussung der Leitfähigkeit kann dadurch geschehen, daß die an sich bekannte Einführung fremder Ladungsträger (z. B. Kaliumionen) in den Gasstrahl mit periodischer Schwankung der Dosierung bewerkstelligt wird. Die Gasgeschwindigkeit kann bei gleichbleibender Strömungsrichtung zwischen einem maximalen und einem minimalen Wert verändert werden, oder sie kann bei periodischer Umkehrung der Strömungsrichtung zwischen zwei Maximalwerten variieren. Im letzteren Falle hat die Einströmung des Gases abwechslungsweise von beiden Generatorseiten her zu erfolgen.Apart from supplying the windings 5 ', 5 "with alternating current, other measures for generating a time-varying induction flux can also be used the electrical conductivity and / or the velocity of the gas change periodically. An influencing of the conductivity can be done by the foreign known introduction of charge carriers (eg. As potassium ions) is accomplished in the gas jet with a periodic variation of the dosage. The gas velocity can be changed between a maximum and a minimum value while the direction of flow remains the same, or it can vary between two maximum values with a periodic reversal of the direction of flow. In the latter case, the gas has to flow in alternately from both generator sides.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Magnetogasdynamic alternator that an essentially annular channel through which ionized gas flows, and Means for generating a magnetic field running transversely to the direction of flow comprises, characterized in that the channel between core and jacket at least a magnetic structure constructed in the manner of a jacket transformer runs, which at least two oppositely fed windings to generate a den Channel radially penetrating magnetic field and a secondary winding for extraction of the generated AC power.

2. Generator according to claim 1, characterized characterized in that the windings for generating the magnetic field with an alternating current source are connected.

3. Generator according to claim l, wherein the gas is foreign charge carriers are attached, characterized in that the windings for generating the magnetic field are connected to a direct current source and that means for periodic variation the dosage of the foreign charge carriers are available.

4. Generator according to claim 1, characterized in that the windings for generating the magnetic field are connected to a direct current source and that means for periodic variation the flow rate of the gas are present.

5. Generator according to claim 1, characterized in that near the ends of the magnetic structure insulating Plates are arranged in radial planes between core and shell.

6. Generator according to claim 1, characterized in that it contains three magnetic structures and that the windings for generating the magnetic field with a three-phase current source are connected. Considered publications: German Patent Specifications No. 632 443, 725 433.