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Magneto-hydrodynamischer Generator zur Erzeugung von Wechselstromenergie
Die Erfindung betrifft einen elektrischen Generator und insbesondere eine Vorrichtung
zur Erzeugung von Energie mittels eines relativ zu einem Magnetfeld bewegten elektrisch
leitfähigen Strömungsmittels.
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Obwohl die bekannte Möglichkeit der Erzeugung von Energie durch Zusammenwirken
eines leitfähigen Strömungsmittels und eines Magnetfeldes seit langem bekannt ist,
wurde dieses Prinzip nicht für die industrielle Anwendung. brauchbar gemacht. Der
Mangel einer Hochtemperaturquelle für ein leitendes Gas und das Fehlen von Materialien,
die geeignet sind, solche Gase aufzunehmen, haben die Entwicklung solcher Generatoren
gehemmt. Mit der Entwicklung von Wärmequellen für hohe Temperaturen und von besseren
Materialien wurden in den letzten Jahren große Fortschritte gemacht. Die ausgeführten
Arbeiten werden zur Zeit so gefördert, daß die Anwendungen dieser Generatoren (im
allgemeinen magneto-hydrodynamische Generatoren oder kurz MHD-Generatoren genannt)
für stationäre Energieerzeugungsanlagen interessant geworden ist.
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MHD-Generatoren benötigen eine Quelle elektrisch leitfähigen Strömungsmittels
hoher Temperaturen unter Druck. Von der Quelle fließt das Strömungsmittel, üblicherweise
ein Gas, durch den Generator, dem ein Magnetfeld und Elektroden zugeordnet sind,
zwischen denen ein elektrischer Strom durch die Bewegung des Gases relativ zu dem
Magnetfeld induziert wird. Das Gas entweicht in ein Gebiet geringen Druckes; das
in einfacher Weise die Atmosphäre sein kann oder in umfangreicheren Systemen eine
Rückgewinnungsanlage mit einer Pumpe für die Rückführung des Gases zu der Quelle
enthalten kann.
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Bei der Verwendung eines in einer Richtung wirkenden, konstanten Magnetfeldes
erzeugen die üblichen MHD-Generatoren Gleichstrom. Obwohl Gleichstrom für viele
Zwecke verwendet wird, ist Wechselstrom für industrielle Zwecke und für die Verteilung
durch Hochspannungsanlagen geeigneter. Dennoch schien es eine lange Zeit, daß die
den MHD-Generatoren eigenen Gleichstromeigenschaften deren Anwendung begrenzen würden,
und bis jetzt war kein Weg für die Herstellung eines Wechselstrom-MHD-Generators
bekannt. -Nach der Theorie kann zwar Wechselstrom dadurch erzeugt werden, daß der
Gasstrom pulsiert, wenn er durch den Generator fließt, oder durch periodisches,
Umkehren der Richtung des Magnetfeldes. Dennoch sind solche theoretischen Lösungen
unpraktisch und erfordern das Modulieren eines Gasstromes von sehr hohen Temperaturen
mit hoher Frequenz oder das Modulieren eines Magnetfeldes hoher Energie. Durch die
Erfindung wird es möglich, eine große Wechselstromenergie in einfacher und wirtschaftlicher
Weise zu erzeugen. Gemäß der Erfindung ist ein MHD-Generator mit Einrichtungen versehen,
die den elektrischen Strom von dem Strömungsmittelleiter des Generators im Takt
der zu erzeugenden Wechselstromfrequenz abwechselnd zu bestimmten Elektroden innerhalb
des Generators lenken. Dies kann elektrisch, mechanisch oder aerodynamisch ausgeführt
werden. Mechanische Systeme können Einrichtungen verwenden, die die Elektroden in
leitende Verbindung mit dem Gasstrom bringen. Die aerodynamischen Systeme sehen
Einrichtungen vor, um das leitfähige Gas in leitende Verbindung mit den Elektroden
zu bringen und aus dieser Verbindung herauszubewegen, um Leitung anzuregen und zu
beenden. Elektrische Systeme können einen Stau eines gesteuerten elektrischen Potentials,
der nahe an den Elektroden liegt, verwenden, um den Strom zu den Elektroden zu regulieren.
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Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung beschrieben.
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Fig. 1 zeigt eine schaubildliche Darstellung eines bekannten MHD-Generators;
Fig: 2 ein Schaubild eines MHD-Generators und der dazugehörigen Schaltungen, an
Hand dessen die grundlegenden Prinzipien der Erzeugung von Wechselstrom erläutert
werden,
Fig. 3 einen Querschnitt der mechanischen Einrichtung für
die abwechselnde Erzeugung von Leitung. zwischen einem leitfähigen Gas und zwei
Elektroden, Fig.4 einen Querschnitt durch eine mechanische Einrichtung für die abwechselnde
Erzeugung einer Leitung zwischen einem leitfähigen Gas und zwei Elektroden in Verbindung
mit einer aerodynamischen Einrichtung, die die Beendigung der Dauer der Leitung
jeder Elektrode sicherstellt; Fig. 5 zeigt eine Abwandlung einer kombinierten mechanisch-aerodynamischen
Einrichtung für die Herstellung der Leitung mit zwei Elektroden; Fig. 6 ist ein
Querschnitt durch eine mechanische Einrichtung zur abwechselnden Erzeugung eines
Leitweges zu zwei Elektroden durch die Verwendung von bewegbaren Steuerelektroden;
Fig. 7 zeigt eine kombinierte mechanisch-aerodynamische Einrichtung zur Erzeugung
einer abwechselnden Leitung mit zwei Elektroden; Fig. 8 ist ein Querschnitt einer
elektrischen Einrichtung für das abwechselnde Erzeugen einer Leitung mit festen
Elektroden; Fig. 9 zeigt ein Bild einer Schaltung, die zur Vorspannung von Staugittern,
die den Elektroden zugeordnet sind, verwendet werden kann, und Fig. 10 zeigt ein
Schaltbild zur Erläuterung der Verwendung eines MHD-Generators zur Erzeugung mehrphasiger
Ströme.
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Allgemeine Beschreibung Dem in Fig. 1 dargestellten MHD-Generator
bekannter Art wird ein gasförmiger Leiter hoher Temperatur unter Druck von einer
Quelle zugeführt, z. B. einem nicht dargestellten Kernreaktor oder mit Kohle beheizten
Ofen. Der Gaseintritt in den Generator ist durch den Pfeil l und der Austritt durch
den Pfeil 2 dargestellt. Das Gas wird in seiner Bewegung durch den Generator mittels
eines divergenten Rohres 3 geführt und begrenzt, das von einer Gleichstromspule
4 umgeben ist, die einen Magnetfluß quer zu dem Gasstrom in einer Richtung senkrecht
zur Papierebene erzeugt. Innerhalb des Rohres sind Elektroden angeordnet, so eine
Anode 6 und eine Kathode 5, die mittels des Leiters 7 in einen Kreis mit der Last
8 geschaltet sind. Die Bewegung des gasförmigen Mediums durch das Magnetfeld und
zwischen den Elektroden induziert eine elektromotorische Kraft (EMK) zwischen den
Elektroden, wie es durch den Pfeil 9 angedeutet ist. Die Richtung des Stromes hängt
von den Richtungen der Gasbewegung und des Magnetflusses ab. Wenn das Gas von links
nach rechts, wie dargestellt, fließt und der Magnetfluß von der Spule in einem rechten
Winkel zu der Papierebene auf den Betrachter zu gerichtet ist, wird die EMK in der
gezeigten Richtung induziert. Wenn die Gasbewegung gleichförmig ist und ein konstantes
Magnetfeld in einer Richtung vorhanden ist, ist die induzierte EMK sowohl nach der
Größe als auch nach der Richtung konstant. Der dargestellte Generator ist also nur
für die Erzeugung von Gleichstrom geeignet.
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Die elektrische Leitfähigkeit des Gasstroms ist auf die Ionisation
zurückzuführen und ist eine Funktion sowohl der Temperatur als auch der der Zusammensetzung
des Gases. Eine Ionisation des Gases, das z. B. Helium oder Argon sein kann, wird
durch einen Zusatz, z. B. 1 % Natrium, Kalium oder Caesium, und durch eine hohe
Temperatur in der Größenordnung von 3000° K erreicht. Obgleich eine hohe Leitfähigkeit
durch hohe Temperaturen erlangt werden kann, sind Grenzen durch die Materialien
und durch die Wärmeenergiequelle, die chemische Verbrennung oder Kernreaktionen
verwenden, gegeben. Zur Zeit scheint es, daß die für die Verwendung bei MHD-Generatoren
geeigneten Gastemperaturen 3000° K nicht übersteigen sollten. Das heißt, daß die
Leitfähigkeit des Gases etwa 100 Siemens je Meter nicht viel übersteigt. Um nämlich
die Gasleitfähigkeit um den Faktor 10 zu erhöhen, würde es notwendig sein, die Gastemperatur
zu verdoppeln. Um mit niederer Gasleitfähigkeit auszukommen, ist es notwendig, daß
ein Magnetfeld mit hoher Energie verwendet wird. Dies macht es schwierig, wenn nicht
unmöglich, einen leistungsfähigen und wirtschaftlichen Wechselstrom-MHD-Generator
zu entwerfen, der ein Wechselfeld verwendet. Auf der anderen Seite ist auch ein
Wechselstrom-MHD-Generator mit einem statischen Feld, aber einem wechselnden Gasstrom
wegen der hohen Gastemperatur und Strömungsgeschwindigkeit, die in einem Generator
von industriellen Ausmaßen behandelt werden müssen, schwierig zu konstruieren. Die
Verwendung von Wechselrichterschaltungen in Verbindung mit MHD-Generatoren ist ebenfalls
in Betracht gezogen worden. Wegen des Preises und der Energieverluste der Wechselrichter
ist es selbstverständlich vorteilhafter, den Umkehrvorgang innerhalb des Generators
selbst durchzuführen. Tatsächlich hat ein MHD-Generator mit stromführenden Elektroden
einige der wesentlichsten Merkmale eines Wechselrichters und ist für die direkte
Erzeugung von Wechselstromenergie geeignet, wie nachfolgend erläutert wird.
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Allgemeine Prinzipien eines MHD-Generators für Wechselstromerzeugung
Fig. 2 zeigt schematisch bestimmte Teile eines MHD-Generators, der für die Erzeugung
von Wechselstromenergie ausgebildet ist. Das divergente Rohr 10 umgibt eine Kathode
11 und mehrere, in Paaren angeordnete Anoden 12a, 12b bis 16a, 16b. Dem Rohr
ist eine Spule 17 zur Erzeugung eines querverlaufenden Magnetfeldes, so wie in Fig.
1 zugeordnet.
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Jedes Elektrodenpaar ist mit den Enden mehrerer Primärwicklungen eines
Transformators 19 verbunden, so z. B. die Anoden 12 a und 12 b mit der Primärwicklung
18. Die Sekundärseite des Transformators kann mit dem nicht dargestellten Lastkreis
verbunden sein. Jede Primärwicklung des Transformators weist eine Mittelanzapfung,
z. B. 18 a, auf, die alle über einen gemeinsamen Leiter 21 mit der Kathode 11 verbunden
sind. Bei der Verwendung eines gleichmäßigen Gasstromes und eines konstanten Magnetfeldes
kann Wechselstrom durch abwechselndes Auftreten eines Stromes von der Kathode gleichzeitig
zu der entsprechenden Anode jeden Anodenpaares erzeugt werden. Wenn so ein Stromweg
abwechselnd zuerst von der Kathode zu den Anoden 12 a bis 16 a und dann zu den Anoden
12b bis 16b aufgebaut werden kann, kann die Richtung des Stromes in den zugeordneten
Hälften jeder Primärwicklung des Transformators zu dem Leiter periodisch umgekehrt
werden, was zu einem in der Sekundärwicklung des Transformators induzierten Wechselstrom
führt. Dies ist graphisch bei den Anoden 15 a und 15 b dargestellt.
In ausgezogenen Linien ist ein Pfeil gezeigt, der in üblicher Art die Stromrichtung
von der Anode 15 a
zu der Kathode 11 angibt. Dieser Strom wird Null,
wenn
ein Strom zwischen der Anode 15 b und der Kathode 11 fließt, wie es durch
den Pfeil in gestrichelten Linien dargestellt ist.
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Die Erfindung befaßt sich mit verschiedenen Einrichtungen zur Herstellung
eines Leitweges abwechselnd zwischen den beiden Anoden und der Kathode, so daß ein
Wechselstromausgang erzeugt werden kann, wie es allgemein in bezug auf Fig. 2 beschrieben
ist.
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Mechanische Einrichtung zur Erzeugung eines Wechselstroms In Fig.
3 ist ein Paar von Anoden 22 und 23 gezeigt, die für eine gleitende Bewegung in
Büchsen 24 und 25 geführt sind, welche in Isolierhaltern 26 und 27 befestigt sind.
Die Halter selbst sind fest mit dem Rohr 28, das mit Fig. 1 und 2 beschrieben ist,
verbunden. Innerhalb des Rohres ist eine nicht dargestellte gemeinsame, den Anoden
gegenüberliegende Kathode vorgesehen. Eine Feldspule umgibt das Äußere des Rohres
und erzeugt einen Magnetfluß durch das Rohr.
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Jeder Isolierhalter weist innen einen kegelförnnigen Raum 29 bzw.
30 auf, in den die Anode hineinragt. Die Anode 22, die der Anode 23 gleicht, hat
die Form einer zylindrischen Stange, die vollständig durch die Büchse 24 in den
Raum 29 hineinragt. Das obere Ende der Anode steht in Berührung mit einem Nocken
31, der für eine gemeinsame Drehung mit einer von einem Synchronmotor 33 angetriebenen
Nockenwelle 32 verbunden ist. Die Drehung des Nockens 31 steuert die Bewegung der
Anode in das Innere des Rohres 28 und aus dem Rohr heraus. Das obere Ende der Anode
wird durch die Schraubenfeder 34 jederzeit in Berührung mit dem Nocken gehalten.
Die Feder stützt sich an einem Ende gegen die Büchse 24 und am anderen Ende gegen
einen Kragen 35 an der Anode ab. Ein gleicher Nocken 36 ist an dem anderen Ende
der Nockenwelle 32 befestigt und verursacht die Bewegung der Anode 23. Die Nocken
31 und 36 sind um l80° gegeneinander versetzt und bewegen die Anoden 22 und 23 abwechselnd
in das Rohr 28 hinein und aus diesem heraus. Ringförmige, elektrisch leitende Staugitter
37 und 38 umgeben die unteren Enden der Anoden 22 und 23. Die Staugitter sind in
den Isolierhaltern 26 und 27 befestigt und sind sowohl von dem Rohr 28 als auch
von den Anoden durch Zwischenräume elektrisch isoliert. Die Leiter 39 und 40 stehen
in elektrischer Verbindung mit den Staugittern und halten diese auf konstantem Potential.
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Nachfolgend wird die Arbeitsweise der Einrichtung beschrieben. Ein
heißer, elektrisch leitfähiger Gasstrom bewegt sich durch das Rohr 28 nach rechts,
wie es durch den Pfeil 41 angedeutet ist. Der stark ionisierte und deshalb elektrisch
leitfähige, sich durch ein Magnetfeld bewegende Gasstrom würde einen Leitweg zu
beiden Anoden 22 und 23 nur wegen des negativen Potentials, auf dem die Gitter 37
und 38 jederzeit gehalten sind, aufbauen. Um eine Leitung zwischen dem Gasstrom
und den Anoden zu erreichen, werden diese abwechselnd in den und aus dem leitfähigen
Strom mittels der Nocken und des damit zusammenwirkenden Antriebes bewegt. So ist
in Fig. 3 die Anode 22 in leitender Verbindung mit dem Gasstrom gezeigt, während
die Anode 23 sich in einer nichtleitenden, zurückgezogenen Stellung innerhalb der
Aushöhlung 30, durch das Staugitter 38 von dem Gasstrom elektrisch abgeschirmt,
befindet. Das Zurückziehen der Anode 22, während gleichzeitig die Anode 23 in den
Gasstrom bewegt wird, verursacht eine Leitung zu der Anode 23, während die Leitung
zu der Anode 22 beendet wird.
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Die Anoden sind mit den Enden der Primärwicklung 42 des Transformators
verbunden, deren Mittelanzapfung 43 mit der Kathode an der gegenüberliegenden Seite
des Rohres (s. Fig. 2) verbunden ist. Da der Strom in jeder Hälfte der Primärwicklung
des Transformators ein Maximum erreicht und dann auf Null absinkt, wird ein Strom
abwechselnd in entgegengesetzter Richtung in der Sekundärwicklung des Transformators
erzeugt, was einen Wechselstromausgang an der Sekundärseite des Transformators hervorbringt.
Die Frequenz des Wechselstromes ist durch die Geschwindigkeit, mit der die Welle
32 durch den Synchronmotor 33 angetrieben wird, bestimmt.
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Kombinierte mechanische und aerodynamische Einrichtung zur Erzeugung
von Wechselstrom Fig. 4 zeigt eine mechanische Einrichtung mit bewegbaren Anoden
50 und 51, die im allgemeinen der Einrichtung nach Fig. 3 gleicht. Die Anoden sind
für eine Bewegung in das und aus dem Rohr 52 mittels Isolierhaltern 53 und 54 durch
die Steuerung der Nocken 55 und 56 in gleicher Weise, wie es in Verbindung
mit Fig. 3 beschrieben, geführt. Ebenso sind Staugitter 57 und 58 auf einem Potential
gehalten, das eine gleiche Leitung zu den Anoden 50 und 51 verhindert.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 ist jede Anode 50 bzw. 51 mit einem Kolben 59
bzw. 60 fest verbunden. Die Kolben sind in zylindrischen Bohrungen 61 und 62 vertikal
bewegbar. Das untere Ende jeder Bohrung arbeitet mit einem Kanal 63 bzw.
64 zusammen, in dem ein Absperrventil 65 bzw. 66 vorgesehen ist. Da sich jede Anode
unter Führung des ihr zugeordneten Nockens von dem Rohr 52 wegbewegt, saugt die
Aufwärtsbewegung des Kolbens Gas, das die gleiche Zusammensetzung des Gases in dem
Rohr 52 haben kann, durch das zugeordnete Absperrventil und den Kanal. Das angesaugte
Gas kann z. B. Luft oder ein organisches Gas sein. Während der Bewegung jeder Anode
in das Rohr 52 hinein wird das in das untere Ende des Zylinders eingesaugte Gas
in jedem Fall durch in den Kolben 59 und 60 vorgesehene Absperrventile 67
und 68 in den oberen Teil der entsprechenden Zylinderbohrung ausgelassen. Während
der Bewegung der Anode aus dem Rohr 52 heraus wird das Gas von der Oberseite des
Kolbens durch die Leitung 69 bzw. 70 zu den Aushöhlungen 71 bzw. 72 ausgelassen,
die die unteren Enden der Anoden 50 und 51 umgeben.
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Nachfolgend wird die Arbeitsweise dieser Einrichtung beschrieben.
Wenn eine Anode in den leitfähigen Gasstrom vorgestoßen wird, wird eine Leitung
erreicht, und beim Zurückziehen der Anode wird die Leitung beendet. Eine unterschiedslose
Leitfähigkeit während des Zeitraums, in dem die Anoden zurückgezogen sind, wird
durch ein an den Staugittern 57 bzw. 58 anliegendes, konstantes Potential verhindert.
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Es sei vorweggenommen, daß unter bestimmten Bedingungen ein Leiten
wiederhergestellt werden kann, wenn das Anodenpotential ansteigt, insbesondere wenn
etwas leitfähiges Gas unmittelbar an den Anoden diesen in die Aushöhlungen 71 und
72 folgt, wenn die Anoden zurückgezogen werden. Um dies zu verhindern, wird in die
Zylinder 61 und 62 eingesaugtes Gas in die Aushöhlungen 71 und 72 verdrängt, um
das
heiße leitfähige Gas von den Aushöhlungen wegzuspülen. Auf diese
Weise wird eine plötzliche Unterbrechung des Weges des leitfähigen Gases sichergestellt.
Die Bewegung jedes Kolbens wirkt - auch unterstützend für den Aufbau der Leitung,
wenn die Anode in den Gasstrom gestoßen wird. Während der Anfangsbewegung der Anöde
ist der Kolben zuerst bestrebt, heißes Gas in die Aushöhlungen 71 und 72 einzusaugen,
bevor das Gas aus den Ventilen 67 und 68 verdrängt wird. Die Anfangsbewegung des
Gases veranlaßt einen Teil des heißen leitfähigen -Gases, sich auf die vorschiebenden
Anoden zu zu bewegen, wodurch ein schneller Beginn der Leitung sichergestellt wird.
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Eine andere kombinierte mechanische und aerodynamische Einrichtung
ist in Fig. 5 dargestellt. Auch hier werden die Anoden 80 und 81 durch die Steuerung
der Nocken 83 und 84 in das Rohr vorgeschoben und aus diesem zurückgezogen. Anstatt
das Gas mittels eines Kolbens für das Ausspülen der Aushöhlungen 85 und 86 zu verdrängen,
ist hier an jeder Anode ein länglicher Schlitz 87 bzw. 88 vorgesehen. Da .die Anoden
gleich ausgebildet sind, wird diese Ausführungsform nur an Hand der Anode 80 beschrieben.
An dem oberen Teil der Anode steht der Schlitz 87 mit zwei Kanälen 89' und 90 in
Verbindung. Der Kanal 89 ist mit einer nicht dargestellten Quelle eines Hochdruckgases
verbunden, das in seiner Zusammensetzung dem Gas in dem Rohr 82 gleicht. Wenn sich
die Anode in der gezeigten Stellung befindet, strömt Gas von der Hochdruckquelle
durch die Kanäle zu der Aushöhlung 85 und bewirkt das Ausspülen allen heißen leitfähigen
Gases, das bei dem Zurückziehen der Anode in die Aushöhlung eingesogen worden ist.
Dadurch wird plötzlich der Leitweg abgeschnitten und eine Wiederherstellung der
Leitung verhindert. Während der Zeit, in der die Anode in das Rohr 82 hineinbewegt
wird, ist der Längsschlitz außer Verbindung mit den Kanälen, und dadurch ist die
Strömung von kaltem, nichtleitendem Gas in den Bereich der Anoden verhindert.
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Mechanische Einrichtung mit Steuerelektroden In Fig. 6 ist eine Abwandlung
der mechanischen Einrichtung nach Fig. 3 gezeigt. Jede Anode, allgemein mit 100
bezeichnet, enthält einen feststehenden äußeren Teil 101 und eine bewegbare
Steueranode 102,
die innerhalb der feststehenden Anode 101 gleitbar gelagert
ist. Die Steueranode 102 ist durch Federkraft jederzeit in Berührung mit dem Nocken
103 gehalten. Die Drehung des Nockens, verursacht durch den Synchronmotor 104, treibt
die Steueranode 102, abwechselnd mit der Steueranode 102 a, in den heißen Gasstrom,
der durch den Pfeil 105 angedeutet ist, und aus diesem heraus.
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Die näheren Einzelheiten entsprechen den im Zusammenhang mit Fig.
3 beschriebenen. So ist ein Staugitter 106 bzw. 107 mit konstantem Potential an
der Stelle, wo die Steueranode in das Rohr eintritt, vorgesehen, um ein Leiten während
der Zeit, in der die Anoden zurückgezogen sind, zu verhindern.
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Der Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, daß die Abmessungen
der bewegbaren Anoden verringert-sind. Dennoch ist die Steueranode in der Lage,
Leitung mit dem Gasstrom herzustellen, und, wenn sie in ihren feststehenden Anodenteil
zurückgezogen ist, einen vollständigen Leitweg sowohl mit dem stationären Anodenteil
als auch mit sich selbst herzustellen. Sb kann mit einer kleinen, leichten Steueranode
eine vollständige Leitung mit einer größeren feststehenden Anode aufgebaut werden.
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Vollständige aerodynamische Einrichtung Fig. 7 zeigt feststehende
Anoden 110 und 111, die in Isolierhaltern 112 und 113 befestigt sind. Diese Halter
sind fest mit dem Rohr 114 verbunden, in dem ein heißes, leitfähiges Gas, das durch
den Pfeil 115
angedeutet ist, strömt.
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Das untere Ende der Anode 110, die der Anode 111 gleicht; ragt in
eine Aussparung 116 vor, die durch ein ringförmiges Staugitter 117 mit dem heißen
Gasstrom 115 in Verbindung steht.
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An der Oberseite der Aushöhlung ist ein Tellerventil 118 vorgesehen.
Wenn dieses abwärts weg von seinem Sitz bewegt wird, stellt es eine Verbindung zwischen
der Aushöhlung und einem Auspuffkanal 117 a her, der zur Atmosphäre oder einer anderen
Senke -geöffnet sein kann. Die Bewegung des Tellerventils wird durch den Nocken
118 a gesteuert, die an der von dem Synchronmotor 120 angetriebenen Nokkenwelle
119 befestigt-ist. Eine Feder 121 hält jederzeit die Berührung zwischen dem oberen
Ende des Tellerventils und dem Nocken aufrecht.
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Wenn der Nocken das Tellerventil von seinem Sitz wegbewegt, strömt
sogleich ein heißer, unter hohem Druck stehender Gasstrom 115 in die Aushöhlung
116. Dadurch wird das stark ionisierte leitfähige Gas in den Bereich der Anode 110
gezogen und stellt die Leitung mit dieser her. Wenn das Tellerventil schließt, hört
die Bewegung des Gases auf die Anode zu auf, und sobald das die Anode berührende
Gas entionisiert ist, wird der Leitweg unterbrochen. Das Staugitter 117 verhindert
eine Leitung, bis sich das Tellerventil erneut öffnet.
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Durch das abwechselnde Arbeiten der Tellerventile kann ein Strom abwechselnd
zu den Anoden 110 und 111 aufgebaut werden, und es kann ein Strom abwechselnd durch
die Hälften 122 und 123 der Primärwicklung des Transformators zu der gemeinsamen
Mittelanzapfung 124 geführt werden. Der abwechselnde Strom in der Primärwicklung
induziert einen Wechselstrom in der Sekundärwicklung des Transformators.
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Elektrische Einrichtung Bei den vorstehend beschriebenen Einrichtungen
ist ein Staugitter vorgesehen, das eine unterschiedslose Leitung zwischen dem ionisierten
Gas und den Anoden verhindert. Ein konstantes Potential kann an dem Staugitter gehalten
werden, z. B. durch Verwendung der in Fig. 9 dargestellten Schaltung. Für viele
Zwecke können sich auch die Staugitter auf einem Potential befinden, das durch die
Diffusion der Elektronen durch die Grenzschicht des Gasstromes bestimmt ist. In
solchen Fällen ist zu dem Staugitter so lange keine Verbindung erforderlich, als
dieses von seiner Umrandung elektrisch isoliert ist.
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Es ist dennoch möglich, einen Wechselstromgenerator zu bauen, in dem
das Staugitter selbst das primäre Steuerelement ist, was in Fig. 8 dargestellt ist.
Hier sind die Anoden 130 und 131 innerhalb der Isolierhalter 132 und 133 fest. Jeder
Halter weist ebenfalls ein leitfähiges Staugitter 134 bzw. 135 auf, das am unteren
Ende der Aushöhlung 136 bzw. 137 anliegt. Das Staugitter ist auch hier ringförmig.
Die Aushöhlungen und die Anoden stehen mit dem leitfähigen
Gasstrom
138 hoher Temperatur in Verbindung. Ein Leiter 139 ist mit dem Staugitter 134 und
entsprechend ein Leiter 140 mit dem Staugitter 135 verbunden. Die Leiter sind mit
einer Gitter-Impuissehahung, z. B. einem Oszillator, verbunden, die das Potential
an den Staugittern ändert, um eine Leitung zwischen den Anoden und dem Gasstrom
einzuleiten.
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Das Potential des Staugitters 134 der Anode 130 kann somit periodisch
positiv und negativ in bezug auf den Gasstrom, der den Gittern unmittelbar anliegt,
gemacht werden. Während der Zeit, in der das Potential positiv ist, fördert das
Staugitter eine Elektronenbewegung von dem ionisierten Gasstrom zu der Anode 130
und unterstützt die Ausbildung eines leitenden Weges. Während der Zeit, in der aber
das Staugitter negativ ist, werden Elektronen aus dem Bereich der Anoden zurückgestoßen,
und eine Leitung ist nicht möglich.
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Durch Synchronisation der jedem Staugitter zugeführten Potentiale
kann jede Anode abwechselnd leitend gemacht werden, und ein Wechselstromausgang
wird, wie bereits beschrieben, erzeugt.
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Obwohl der ionisierte Gasstrom sowohl Elektronen als auch positive
Ionen enthält, ist -der Anteil der Elektronen sehr viel geringer als der der Ionen,
und deshalb wird die Bewegung der Elektronen unter dem Einlluß der Staugitter der
überwiegende steuernde Faktor bei der Erzeugung eines Stromes zu den Anoden.
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Elektrische Schaltung In Fig. 9 ist ein Bild einer Schaltung gezeigt,
die verwendet werden kann, um die Staugitter auf ein konstantes negatives Potential
zu bringen. Schematisch sind die Kathode 150 und ein Anodenpaar 151, 152
mit den Gittern 153 und 154 gezeigt. Die Anoden sind mit den entgegengesetzten
Enden der Primärwicklung 155 des Transformators verbunden, deren Mittelanzapfung
über den Leiter 156 mit der Kathode verbunden ist.
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Die Staugitter sind über Leiter 157 und 158 mit Widerständen 159 und
160 verbunden, die mittels des Leiters 161 parallel geschaltet und mit einem Parallel-RC-Kreis
162 verbunden sind. Der Parallelkreis ist wiederum über den Leiter 163 mit der Kathode
150 verbunden.
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Der geringe, durch die Widerstände und den RC-Kreis fließende Gitterstrom
erzeugt an den Gittern eine Spannung von ungefähr dem mittleren Potential des Gases,
das der Anodenseite des Strömungskanals anliegt. Der Elektronenfluß durch die Gitterschaltung
von dem Gitter zu der Kathode wird durch den RC-Kreis geglättet, so daß eine annähernd
konstante Gleichspannung an der Schaltung auftritt. Die Staugitter könnten theoretisch
mit einer Quelle konstanten Potentials verbunden werden, z. B. mit einer Batterie.
Obwohl dies möglich wäre, wird dies in der Praxis für viele Zwecke als weniger geeignet
befunden.
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In Fig. 10 ist das Bild einer Dreiphasenschaltung gezeigt. Die Anoden
170, 171 und 172 sind mit den Primärwicklungen 173, 174 und 175 verbunden. Die Wicklungen
sind in Sternschaltung angeordnet und durch einen gemeinsamen Leiter 176 mit der
Kathode 177 verbunden. Das Potential der Staugitter 178, 179 und 180 kann nacheinander
geändert werden, wie es in Verbindung mit Fig. 8 beschrieben ist, um den Strom durch
die Wicklungen 173 bis 175 in die richtige Phasenlage zu bringen. Bei richtiger
Phasenlage kann ein Dreiphasenausgang von der in Dreieck ge--chaiteten Sekundärwicklung
181 des Transformators erhalten werden.
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In Fig. 10 ist auf ein Dreiphasensteuersystem Bezug genomtren. Es
ist selbstverständlich, daß die Erfindung gleichermaßen auf Dreiphasensysteme als
auch auf mehrphasige Systeme unter Verwendung jeder beschriebenen Ausführungsform
ausgedehnt werden kann.
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Es ist die Verwendung eines einfachen Transformators, der jedes Anodenpaar
untereinander verbindet, erläutert worden. Die Schaltung kann aber auch nach Art
der bekannten Wechselrichterschaltungen abgeändert werden, um die Ausgangswellenform
zu verbessern und die Betriebssicherheit zu erhöhen. In einigen Fällen kann es in
Abhängigkeit von der Last wünschenswert sein, einen Kondensator parallel zu der
Primärwicklung des Transformators zu schalten, um die Kommutierung der Elektroden
zu sichern. Materialien Bei der Konstruktion eines WechselStrom-MHD-Generators sind
Materialien zu verwenden, die in der Lage sind, den hohen Temperaturen standzuhalten.
Wolfram und Kohle, die hochtemperaturbeständige leitende Materialien sind, eignen
sich gut für die Herstellung der Anoden und der Staugitter. Wenn eine Wasserkühlung
verwendet wird, können die Anoden und die Staugitter aus Kupfer hergestellt sein.
Die Isolatoren können aus Aluminiumoxyd bestehen. Die vorstehenden Materialien sind
nur beispielsweise angeführt.
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Um die Anoden von den antreibenden Nocken zu isolieren, ist es zweckmäßig,
die Nocken aus Isoliermaterial herzustellen.
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Generatorfrequenzen Der beschriebene MHD-Generator ist zur Erzeugung
von 50-Hz-Wechselstrom gut geeignet. Die Frequenz des Stromes ist bestimmt durch
die Drehgeschwindigkeit des Synchronmotors oder bei der elektrischen Einrichtung
durch die Oszillatorfrequenz. Obwohl Verzögerungseffekte eventuell die maximale
Arbeitsfrequenz der mechanischen und aerodynamischen Einrichtungen begrenzen können,
ist die elektrische Einrichtung frei von solchen Begrenzungen und kann mit viel
höheren Frequenzen in der Größenordnung von einigen Megaherz arbeiten. Eine eventuelle
Grenze in der Arbeitsfrequenz der elektrischen Einrichtung liegt in der Entionisierzeit
des an die Anoden grenzenden Gasstromes.