DE1203370C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Verhindern der Zirkulation von Hall-Strom in einem MHD-Generator - Google Patents

Description

wobei w die Elektronenzyklotronfrequenz, t die mittlere freie Zeit des Elektrons zwischen TeilDie Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verbindern der Zirkulation von Hall-Strom parallel zu und innerhalb eines Stromes von elektrisch leitendem Plasma, das durch ein senkrecht zur Strömungsrichtung verlaufendes" magnetisches Feld in einem MHD-Generator fließt, welcher segmentförmige, entlang der Strömungsrichtung und im rechten Winkel zum Magnetfeld angeordnete Elektroden aufweist, wobei einzelne sich gegenüberliegende Elektroden miteinander in Reihe geschaltet sind und das Potential bestimmter Segmente der segmentförmigen Elektroden anderen Segmenten der Elektroden aufgedrückt wird, und auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Obgleich die Möglichkeit der Energieerzeugung durch die Wechselwirkung eines elektrisch leitenden Fluidums und eines Magnetfeldes seit langem bekannt gewesen ist, sind erst vor einigen Jahren solche magnetohydrodynamischen Vorrichtungen zur Verwendung in der Industrie eingehend erforscht worden. Dies wird deutlich durch das USA.-Patent 1717413 von Rüdenberg, das im Jahre 1929 auf ein thermoelektrisches Gerät erteilt wurde. Dies zeigt, daß die Grundlagen allgemein bekannt sind. Praktische Probleme, wie die Strömung von Hall-Strom in Generatoren, haben jedoch auf diesem Gebiet nur sehr beschränkte Fortschritte gemacht.

Bei magnetohydrodynamischen Generatoren wird gewöhnlich ein elektrisch leitendes Arbeitsfiuidum von einer Quelle mit hoher Temperatur und hohem Druck benutzt. Von der Quelle strömt das Fluidum durch den Generator, dem ein Magnetfeld zugeordnet ist, und zwischen Elektroden, zwischen denen eine elektromotorische Kraft durch Relativbewegung des Fluidums zu dem Feld induziert wird. Das Fluidum strömt zu einem Ausgang des Kanals, der einfach die Außenluft sein kann oder in hochentwickelten Systemen aus einer Rückgewinnungsanlage bestehen kann, die Pumpvorrichtungen zur Rückforderung des Fluidums zu der Quelle aufweist. Das Arbeitsfluidum kann ein Gas hoher Temperatur und hohen Druckes, wie z. B. Helium oder Argon, sein, dem etwa 1% Natrium, Kalium oder Caesium zugesetzt ist, um die Ionisierung und somit die elektrische Leitfähigkeit zu verstärken. Das Gas besteht aus Elektronen, positiven Ionen, neutralen Atomen und subatomaren Teilchen und kann zweckmäßig als »Plasma« bezeichnet werden.

Wenn das Plasma durch den Generator bei Existenz eines elektrischen Feldes und eines zu diesem rechtwinklig orientierten magnetischen Feldes strömt, treten krummlinige Bewegungen geladener Teilchen unter dem Einfluß beider Felder auf. Infolge solcher Bewegungen werden negative und positive Ladungen in dem Plasma getrennt, wodurch ein wesentlicher Potentialgradient in Längsrichtung seiner Strömung entsteht. Unter dem Einfluß des Potentialgradienten fließt der Strom longitudinal durch das Plasma und die Elektroden des Generators. Diese Ströme, die als »Hall-Ströme« bekannt

sind, wirken dem direkten Stromfluß durch das Plasma zwischen den Elektroden entgegen und bilden eine schwerwiegende Verminderung des Betriebswirkungsgrades.

Aus der französischen Patentschrift 1 161079 ist ein magnetohydrodynamischer Generator der eingangs genannten Art bekannt, bei dem die nutzbare elektrische Energie von in Reihe geschalteten Segment-Elektroden abgenommen werden soll. In dieser Patentschrift wird jedoch die Wirkung des oben beschriebenen Hall-Effekts und die spezielle Bemessung der Segmentbeschaltung nicht berücksichtigt.

In der deutschen Patentschrift 725 433 wird ein Hall-Generator beschrieben, dessen Betrieb ausschließlich von dem Fluß von Hall-Strom abhängt, d. h. von einem Stromfluß in axialer Richtung des Rohres oder Kanals. Weiterhin schlägt diese Patentschrift nicht vor, in welchem Maße das Potential vorbestimmter Segmente segmentförmiger Elektroden auf andere Segmente der Elektroden aufzudrücken ist, um die Potentialunterschiede zwischen dem Strom und den Elektrodensegmenten auszulöschen.

Gegenüber dem Bekannten soll gemäß dem vorliegenden Verfahren entlang der Länge des Plasmastromes ein Potentialgradient hergestellt werden, der mit dem Potentialgradienten vergleichbar· ist, der in dem Plasma durch den Hall-Effekt zu entstehen sucht. Durch Anpassung des Gradienten, vorzugsweise längs der Elektroden, an den in dem Plasma durch den Hall-Effekt hergestellten Gradienten werden Potentialdifferenzen zwischen dem Plasma und den Elektroden, die für den Fluß des Hall-Stromes notwendig sind, beidseitig, und der Hall-Strom selbst wird an einer Zirkulation in dem Generator gehindert.

Die Erfindung besteht bei einem Verfahren der eingangs genannten Art in einer Anpassung der Potentiale der Elektrodensegmente an das Hall-Potential in der Weise, daß in Längsrichtung der Strömung ein dem longitudinalen Potentialgradienten im Plasma entgegengerichteter Potentialgradient mit einem Wert geschaffen wird, der eine Längskomponente in dem sich ergebenden Stromfluß im Plasma ausschließt.

Die Erfindung ermöglicht bei magnetohydrodynamischen Generatoren folgende Verbesserungen:

a) Erhöhten Wirkungsgrad infolge vergrößerter Leitfähigkeit des Arbeitsplasmas in zu den Elektroden senkrechter Richtung;

b) Verminderung der Generatorgröße durch erhöhten Gesamtbetriebswirkungsgrad;

c) verbesserte Elektrodenlebensdauer infolge Bildung von Strompfaden an vorbestimmten Stellen.

Die Erfindung wird nachstehend hinsichtlich ihrer Grundsätze und der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in der folgenden Beschreibung spezieller Ausführungsformen im Zusammenhang mit den Zeichnungen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Veranschaulichung der Elektronenbewegung in einem Magnetfeld sowohl beim Fehlen eines elektrischen Feldes als auch bei Existenz eines solchen,

F i g. 2 eine Veranschaulichung der Elektronenbewegung in einem Plasmastrom beim Vorhandensein eines magnetischen Feldes und eines elektrischen Feldes unter Bedingungen, bei denen das Produkt der Zyklotronfrequenz und der mittleren freien Zeit zwischen Teilchenkollisionen viel größer als 1 ist,

Fig. 3 eine Darstellung der Elektronenbewegung in einem Plasmastrom in Gegenwart eines magnetisehen Feldes und eines elektrischen Feldes unter Bedingungen, bei denen das Produkt der Zyklotronfrequenz und der mittleren freien Zeit zwischen Kollisionen kleiner als 1 ist,

F i g. 4 eine schematische Darstellung des Flusses ίο von Hall-Strömen in einem linearen megnetohydrodynamischen Generator,

F i g. 5 eine schematische Darstellung eines üblichen magnetohydrodynamischen Generators,

F i g. 6 eine schematische Darstellung eines magneto- »5 hydrodynamischen Generators mit segmentförmigen Elektroden,

F i g. 7 einen modifizierten magnetohydrodynamischen Generator mit segmentförmigen Elektroden, die miteinander verbunden sind, um Energie mit verhältnismäßig hoher Spannung zu erzeugen, und

F i g. 8 eine weitere abgeänderte Ausführungsform eines magnetohydrodynamischen Generators mit segmentförmigen Elektroden, die in einer Anzahl gegetrennter Stromkreise miteinander verbunden sind, um Energie hoher Spannung an getrennte Belastungen zu liefern.

Allgemeine Prinzipien

Eine Betrachtung der Hall-Ströme ermöglicht ein besseres Verständnis der Erfindung. Zu diesem Zweck wird auf F i g. 1 hingewiesen, die in üblicher Darstellung ein magnetisches Feld 1 zeigt, bei dem zur Veranschaulichung angenommen ist, daß es in die Zeichenebene gerichtet ist. Weiterhin wird angenommen, daß sich ein Elektron 2 mit der Anfangsgeschwindigkeit V₀ in dem magnetischen Feld befindet. Gemäß den bekannten Grundsätzen der Elektronenballistik beschreibt das Elektron eine kreisförmige Bahn 3 in der Zeichenebene, wobei die das Elektron auf seiner Kreisbahn haltende Kraft proportional zu der Ladung des Elektrons und dem äußeren Produkt seiner Geschwindigkeit V₀ und der Dichte des magnetischen Feldes ist. Eine solche Bewegung geladener Teilchen ist in klarer Weise in der bekannten Literaturstelle John D. Ryder, »Electronic Fundamentals and Applications«, veröffentlicht von Prentice-Hall, Inc., 1954 (S. 22 ff.), offenbart.

Da die auf das Elektron wirkende Kraft immer senkrecht zu seiner Bewegung und Geschwindigkeit gerichtet ist, wird auf das Elektron keine Arbeit durch das magnetische Feld ausgeübt, und seine Geschwindigkeit bleibt mit Ausnahme der Richtung

ungeändert. Theoretisch setzt das Elektron seine Bewegung auf der Kreisbahn 3 fort. Falls jedoch ein zu dem magnetischen Feld senkrechtes elektrisches Feld, z. B. dvTck die Elektroden 4 und 5, ausgeübt wird, weicht die Bewegung des Elektrons von der Kreisbahn ab. Wenn man zur Verdeutlichung annimmt, daß die Elektrode 4 positiv und die Elektrode S negativ geladen ist, verläßt das Elektron seine Kreisbahn bei € und beschreibt eine schleifenförmige Bahn, die allgemein mit 7 bezeich-

⁶S net ist. Dies ergibt sich aus der allmählichen Geschwindigkeitsabnahme des Elektrons, wenn es sich von der positiven Elektrode entfernt und sich der negativen Elektrode nähert. Wenn das Elektron

seine Bewegungsrichtung ändert und sich in Richtung der positiven Elektrode bewegt, wird das Elektron durch das äußere Produkt seiner Bewegungsgeschwindigkeit und der Dichte des magnetischen Feldes wiederum veranlaßt, sich auf einer Kreisbahn zu bewegen. Wenn sich der Vorgang wiederholt, beschreibt das Elektron, wie dargestellt, eine schleifenförmige Bahn.

Die vorstehende Beschreibung mit Bezug auf Fig. 1 nimmt ein geladenes Teilchen an, das sich ohne die Möglichkeit einer Kollision mit anderen Teilchen bewegt. Wenn der Einfluß von Zusammenstößen betrachtet wird, ergibt sich ein Zustand, wie in F i g. 2 und 3 dargestellt.

In Fig. 2 wird angenommen, daß sich ein Plasmastrom 10 von links nach rechts zwischen den Elektroden 11 und 12 bewegt. Weiterhin kann ein magnetisches Feld 13 zwischen den Elektroden angenommen werden, die in der Zeichenebene liegen. Wenn man voraussetzt, daß sich ein Elektron 14 mit einer Anfängsgeschwindigkeit V₀ in dem Raum zwischen den Elektroden befindet, so sucht dieses eine Kreisbahn in der Zeichenebene zu beschreiben, wie bei 15 dargestellt ist. Nimmt man zunächst an, daß zwischen den Elektroden kein elektis'ches Feld vorhanden ist, dann setzt das Elektron seine Kreisbahn fort, wie im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben ist. Falls jedoch die Elektroden 11 und 12 positiv und negativ gemacht werden, dann sucht das Elektron eine schleifenförmige Bewegungsbahn zu beschreiben, die der Bahn 7 in F i g. 1 ähnlich ist.

Nun kann der Kollisionseffekt anderer Teilchen · des Plasmastromes mit dem Elektron betrachtet werden. Die schleifenförmige Kurve 16 in F i g. 2 zeigt die resultierende Bahn des Elektrons unter dem Einfluß eines elektrischen Feldes und den Einfluß von Zusammenstößen mit anderen Plasmateilchen unter Bedingungen, bei denen das Produkt von wt viel größer als 1 ist, wobei w die Elektronenzyklotronfrequenz und t die mittlere freie Zeit des Elektrons zwischen Zusammenstößen ist. Zur Vereinfachung sind die Kurven 16 und die anderen im Zusammenhang mit Fig. 3 und 4 zu beschreibenden Kurven mit Bezug auf den Plasmastrom als ein stationäres Bezugsnetz gezeichnet. Wenn das Produkt von wt viel größer als 1 ist, ist ersichtlich, daß die Frequenz des Elektrons auf seiner Kreisbahn hoch und die Zeit zwischen aufeinanderfolgenden Zusammenstößen anderer Teilchen mit dem Elektron ziemlich lang sein kann. Unter solchen Bedingungen kann das Elektron eine vollständige Kreisbahn beschreiben, bevor es durch Teilchenkollision in eine benachbarte Kreisbahn, wie z. B. die Kreis- ' bahn 17, abgelenkt wird. Infolge des zusammengefaßten Einflusses von Zusammenstößen ist die Kurve 16 im allgemeinen von rechts nach links unten, wie in Fig. 2, geneigt, falls der Plasmastrom als stationär betrachtet wird. Mit anderen Worten: Der Effekt des elektrischen Feldes und des Teilchenstoßes auf ein sich in einem magnetischen Feld bewegendes Elektron bewirkt, daß sich das Elektron spiralförmig längs einer schleifenförmigen Kurve bewegt, die unter einem Winkel zwischen den Elektroden verläuft.

In F i g. 3 ist die Bewegung eines Elektrons unter Bedingungen veranschaulicht, bei denen das Produkt von wt kleiner als 1 ist. Unter solchen Bedingungen sind Zusammenstöße von Teilchen mit dem Elektron viel häufiger als in F i g. 2, und der Effekt der Elektronenablenkung infolge Teilchenkollision ist stärker ausgeprägt. In Fig. 3 bewegt sich das Elektron 20, für das wiederum die Anfangsgeschwindigkeit v₀ in dem magnetischen Feld 21 angenommen wird, unter dem Einfluß eines von den Elektroden 22 und 23 aufgedrückten elektrischen Feldes. Infolge der Kollisionshäufigkeit mit Teilchen in dem Plasmastrom 24 wird jedoch das Elektron längs einer Bahn abgelenkt, die bei 25 veranschaulicht ist. Es wird bemerkt, daß die Zusammenstöße so häufig erfolgen, daß das Elektron wenig oder gar keine Gelegenheit hat, einen größeren Teil der Kreisbahn zu beschreiben, der es normalerweise in einem magnetischen Feld folgen würde, falls es keinen äußeren Einflüssen unterliegen würde.

Bisher war die Diskussion auf die Elektronenbewegung in einem magnetischen Feld beschränkt. Bekanntlich beschreiben auch andere geladene Teilchen, wie z. B. positive Ionen, Kreisbahnen bei Existenz eines magnetischen Feldes, wobei dann die Bewegungsrichtung infolge der Vorzeichenänderung der Teilchenladung umgekehrt ist. Die kreisförmigen Bewegungen positiver Ionen können jedoch infolge ihrer verhältnismäßig geringeren Geschwindigkeit und ihrer größeren Masse im Vergleich zu Elektronen unberücksichtigt bleiben. Dies wird aus der Erwägung deutlich, daß der Radius der von einem geladenen Teilchen beschriebenen Kreisbahn eine Funktion des Produktes seiner Masse und seiner Geschwindigkeit ist. Aus diesem Grunde suchen sich positive Ionen auf Bahnen mit einem sehr großen Krümmungsradius zu bewegen, und es tritt keine solche Bewegung auf, wie sie in den Fi g. 1, 2 und 3 beschrieben wurde. Statt dessen ist der Plasmastrom bestrebt, die verhältnismäßig tragen positiven Ionen strömungsabwärts mitzunehmen, während die Elektronen gleichzeitig abgelenkt werden und sich im allgemeinen gegen den Strom bewegen. Dies ist die Ursache des nun beschriebenen Hall-Stromes.

In F i g. 4 ist ein Paar Elektroden 30 und 31 dargestellt, zwischen denen sich ein Strom elektrisch leitenden Plasmas 32 bewegt. Ein Magnetfeld 33 ist senkrecht in die Zeichenebene hinein verlaufend vorhanden. Zur Verdeutlichung wird angenommen, daß die Elektrode 30 positiv und die Elektrode 31 negativ ist. Aus der früheren Beschreibung ergibt sich dann, daß die Bewegung der Elektronen im allgemeinen auf den Bahnen 34 von der Elektrode 31 zu der Elektrode 30 erfolgt bzw. nach üblicher Ausdrucksweise der Strom längs den Linien 34 von der Anode 30 zu der Kathode 31 fließt. Eis wird bemerkt, daß die Linien des Stromflusses unier einem Winkel zu den Elektroden geneigt sind und nicht den kürzesten Weg zwischen diesen bilden. Dies ist ein direktes Ergebnis der Elektronenbewegung, wie sie im Zusammenhang mäf Fig. 3 beschrieben ist, da die Elektronen die Hauptstromträger innerhalb des Plasmastromes sind. Die Linien 34 bezeichnen die reine Resultierende des Stromflusses, die durch eine quer zu dem Plasmastrom verlaufende Komponente und eine parallel zu dem Plasmastrom liegende Komponente bestimmt ist. Die parallele Komponente ist als Hall-Strom bekannt und ist mit gestrichelten Linien 35 in Fig. 4 bezeichnet. Der Hall-Strom fließt in Längsrichtung durch das Plasma und läuft durch die Elektroden zurück. Dieser Strom

trägt keineswegs zu nützlichem Betrieb der Vorrichtung bei und ergibt tatsächlich einen Stromfluß zwischen den Elektroden auf einem weniger direkten Weg mit vermindertem Querschnitt, als dies sonst möglich sein würde. Infolgedessen geht mehr Energie durch Joulesche Erwärmung in dem Generator verloren, wodurch sein Wirkungsgrad vermindert oder eine Erhöhung der Generatorgröße für einen bestimmten Wirkungsgrad und eine bestimmte Nettoausgangsleistung notwendig gemacht wird.

Üblicher magnetohydrodynamischer Generator

In Fig. 5 ist eine einfache Form eines üblichen magnetohydrodynamischen Generators dargestellt. Er besteht aus einem im allgemeinen divergenten Kanal 40, dem Plasma bei hoher Temperatur und unter Druck bei 41 zugeführt wird, das den Generator bei 42 verläßt. Das Plasma kann eine Temperatur von 3000° K und einen Druck von 10 Atmophären haben. Infolge seiner hohen Temperatur und seiner Zusammensetzung ist das Plasma elektrisch leitend und kann eine Leitfähigkeit in der Größenordnung von 100 mho/m haben. In dem Kanal befinden sich Elektroden 43 und 44, die mit der Belastung 45 durch einen Leiter 46 verbunden sind. Eine Magnetfeldspule 47, die aus einem kontinuierlichen elektrischen Leiter besteht und mit Elektrizität von irgendeiner geeigneten Stromquelle (nicht gezeigt) oder von dem magnetohydrodynamischen Generator gespeist werden kann, umgibt die Außenfläche des Kanals 40 und erzeugt ein magnetisches Feld, das quer zu dem Plasmastrom und senkrecht in die Zeichenebene verläuft. Die Bewegung des Gasstromes relativ zu dem magnetischen Feld erzeugt eine „ elektromotorische Kraft 48 zwischen den Elektroden.

In einfachster Weise ausgedrückt, besteht das Plasma aus einem elektrischen Leiter, der durch ein magnetisches Feld gedrückt wird, wodurch eine elektromotorische Kraft in dem Leiter induziert wird.

In einem üblichen magnetohydrodynamischen Generator des in Fig. 5 dargestellten Typs sind Hall-Ströme vorhanden, wie sie mit Bezug auf Fi g. 1 bis 4 erläutert wurden. Daher besitzt der Generator in kennzeichnender Weise innere Verluste und ungenügenden Wirkungsgrad, was unter manchen Betriebsbedingungen äußerst nachteilig sein kann.

Magnetohydrodynamischer Generator mit
segmentförmigen Elektroden (F i g. 6)

In F i g. 6 ist in schematischer Weise ein magnetohydrodynamischer Generator dargestellt, der einen divergenten Kanal 50 aufweist, dem ein Plasma 51 mit hoher Temperatur und mit hohem Druck zugeführt wird. Dem Kanal ist eine Magnetspule zugeordnet, die schematisch mit durchbrochenen Linien 52 angedeutet ist. Die Magnetspule liefert ein magnetisches Feld, das senkrecht zur Zeichenebene und quer zum Plasmastrom verläuft.

Aus F i g. 6 ist jedoch erkennbar, daß die Elektroden, wie an sich bekannt, segmentförmig ausgebildet sind, d. h., daß die Elektroden auf jeder Seite des Kanals getrennte, elektrisch voneinander isolierte Segmente 53 a, 53 b, 53 c... 53 k und 54 a, 54 b, 54 c ... 54 k aufweisen. Die Elektrodensegmente jeder Gruppe sind seitlich nebeneinander angeordnet, und die Segmentgruppen auf gegenüberliegenden Seiten des Kanals begrenzen Querpfade für den zu der Richtung des Plasmastromes und des Magnetfeldflusses senkrechten Stromfluß.

Die Elektrodensegmente 53 a und 54 a sind mit einem Wechselrichter 55 a elektrisch verbunden. Der Wechselrichter, der in üblicher Weise ausgebildet sein kann, ist an eine Primärwicklung 56 a eines Mehrwicklungstransformators 57 angeschlossen, dessen Sekundärwicklung 58 Wechselstromleistung abgibt. In gleicher Weise sind die Elektrodensegmente 53 b und 54 b mit einem anderen Wechselrichter 55 b verbunden, der eine Transformatorprimärwicklung 56 ft speist. Diese ist auch mit der Sekundärwicklung 58 in Zeitphasenbeziehung zu der Primärwicklung 56 a gekoppelt. Die anderen sich gegenüberliegenden Elektrodenpaare sind in gleicher Weise an getrennte Wechselrichter angeschlossen, die mit der Sekundärwicklung 58 gekoppelt sind, wie dargestellt ist. Bei MHD-Generatoren ist es an sich bekannt, einander

ao gegenüberliegende Elektroden paarweise mit getrennten Belastungen zu verbinden, die auf der Sekundärseite eines Transformators zusammengefaßt sind (deutsche Patentschrift 692 706).
Da kein kontinuierlicher Pfad longitudinal durch die Elektroden parallel zu der Richtung des Plasmaflusses vorhanden ist, können sich keine Hall-Ströme in dem Plasma bilden. Die segmentförmige Gestaltung der Elektroden unterbricht wirkungsmäßig vollständig die Bahn des Hall-Stromflusses. Auf diese Weise werden die durch Hall-Ströme bedingten Verluste beseitigt, und es wird eine Verbesserung der gesamten Arbeitsweise erhalten.

Die einzelnen Elektrodensegmente arbeiten nicht auf dem gleichen Potentialpegel, da ohne Fluß von Hall-Strom ein Hall-Potential longitudinal zu dem Plasmastrom entsteht. Anders ausgedrückt: Die Elektrode 53 besitzt ein höheres Potential als die Elektrode 53 a. Jedoch ist die Spannungsdifferenz zwischen sich jeweils gegenüberliegenden Elektroden-Segmenten, wie z.B. 53a/54a; 53k/54k, im wesentlichen gleich. Unter Gleichgewichtsbedingungen wirkt das Hall-Potential der longitudinalen Abweichung geladener Teilchen entgegen, wie mit Bezug auf F i g. 1 bis 4 beschrieben wurde.

Magnetohydrodynamischer Generator mit in Reihe
geschalteten segmentförmigen Elektroden

In F i g. 7 ist eine Ausgestaltung der Erfindung in Form eines magnetohydrodynamischen Generators mit einem Kanal 60 dargestellt, dem Plasma 61 zugeführt wird, wie bereits beschrieben wurde. Wie bei der Ausführungsform nach F i g. 6 ist eine Magnetspule bei 62 vorgesehen, die ein quer zu dem durch den Kanal 60 fließenden Plasmastrom verlaufendes magnetisches Feld, das sich senkrecht zu der Zeichenebene erstreckt, erzeugt. Die Elektroden sind im wesentlichen in der gleichen Weise, wie im Zusammenhang mit F i g. 6 beschrieben wurde, segmentf örmig ausgebildet und bestehen aus einer Reihe getrennter Segmente 63 a, 63 b ... 63 e und diesen gegenüberliegenden Elektrodensegmenten 64 α, 64 i>... 64 e. Im Gegensatz zu der Ausführungsform nach F i g. 6 sind jedoch hier die sich gegenüberliegenden Elektrodensegmente in Reihe geschaltet. Anders ausgedrückt: Das Segment 63 a ist durch den Leiter 65 mit dem Elektrodensegment 64 ft verbunden. In gleicher Weise sind die Elektrodensegmente 63 & und 64 c,

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63 c und 64 d sowie 63 d und 64 e verbunden. Die Endelektrodensegmente 64 α und 63 e sind außerhalb des Generators mittels eines Leiters 67 an die Belastung 66 angeschlossen.

Bei dieser Ausführungsform der Erfindung werden die elektromotorischen Kräfte, die durch Vorbeibewegung des Plasmas an sich gegenüberliegenden Elektrodensegmenten, wie z.B. 63a/64a, erzeugt werden, durch die Reihenschaltungen addiert, so daß sich die an die Belastung 66 gelieferte Energie auf die Summe der abgegebenen elektromotorischen Kräfte aller Elektrodensegmentpaare beläuft. Bei Reihenschaltung arbeitet jedes Elektrodensegment auf einer bestimmten Seite des Kanals, z.B. 63a bis 63 e, bei einem aufeinanderfolgend höheren Potentialpegel als sein unmittelbar vorhergehendes Elektrodensegment. Mit anderen Worten: Die Segmente definieren einen Potentialgradienten in Längsrichtung durch den Kanal. Wie noch ausführlicher erläutert wird, ist dieser Potentialgradient so gewählt, daß er an den Potentialgradienten angepaßt ist, der durch Trennung von Elektronen und positiven Ionen erzeugt wird, wie im Zusammenhang mit Fig. 1 bis 4 beschrieben wurde. Auf diese Weise paßt sich der Potentialgradient der Elektrodensegmente an den Potentialgradienten des Plasmastromes an, so daß irgendeine Differenz zwischen dem Elektrodenpotential und dem Hall-Potential innerhalb des Plasmas unwirksam gemacht wird. Eine innere Zirkulation von Hall-Strömen wird verhindert, und es wird eine verbesserte Arbeitsweise erzielt, wie bereits erläutert wurde.

Magnetohydrodynamischer Generator mit in Reihe geschalteten, segmentförmigen Elektroden in mehreren Stromkreisen

In F i g. 8 ist ein magnetohydrodynamischer Generator dargestellt, der einen Kanal 70 aufweist, dem das Plasma 71 zugeführt wird, wie bereits erläutert wurde. Wie in den Ausführungsformen nach F i g. 6 und 7 erzeugt die Magnetspule 72 einen senkrecht zur Zeichenebene verlaufenden Fluß durch den Kanal. Wie in den anderen Ausführungsformen der Erfindung sind die Elektroden an gegenüberliegenden Seiten des Kanals segmentförmig gestaltet, wobei sich die Elektrodensegmente 73 α bis 73 h am oberen Teil des Kanals und 74 a bis 74 h am unteren Teil des Kanals befinden, wie in F i g. 8 dargestellt. Wie bereits im Zusammenhang mit F i g. 5 erläutert wurde, erzeugt der Durchgang von elektrisch leitendem Fluidum durch das magnetische Feld eine elektromotorische Kraft, die gleiche Richtung und im wesentlichen gleiche Größe zwischen jedem der sich gegenüberliegenden Elektrodensegmente, wie z.B. 73a/74a, hat. Die Aufmerksamkeit wird jedoch auf den Unterschied der gegenseitigen Verbindung der Elektrodensegmente im Vergleich zu Fig. 7 gerichtet. In Fig. 8 ist das Segment 73 a durch den Leiter 75 mit dem Segment 74 c verbunden. Die Elektrode 73 b ist mit dem Segment 74 d verbunden usw. Mit anderen Worten: Jedes Elektrodensegment an dem oberen Teil des Generators ist in versetzter Anordnung zu den strömungsabwärts liegenden Elektrodensegmenten an den unteren Teil des Kanals angeschlossen. Auf diese Weise liegt das Elektrodensegment 74 a in einem gewöhnlichen Reihenkreis mit dem Plasma und den folgenden Elektrodensegmenten: 73 a, 74 c, 73c, 74e, 73 e, 74 g und 73g. Die Endelektrodensegmente 74a und 73 g sind ihrerseits durch einen Leiter 76 mit einer Belastung 77 verbunden. In gleicher Weise liegt das Elektrodensegment 74 b in einem gemeinsamen Reihenkreis mit den folgenden Elektrodensegmenten: 73 b, 74 rf, 73 d, 74/, 73/, 74h und 73 h. Die Endelektrodensegmente 746 und 73 h sind ihrerseits mittels des Leiters 78 an die Belastung 79 angeschlossen. Bei dieser Anordnung der Verbindungen können zwei vollständig getrennte, ineinandergeschobene Stromkreise von einem Generator gespeist werden. Im Bedarfsfall können die Belastungen 77 und 79 Wechselrichter sein, die über getrennte Primärwicklungen einen gemeinsamen Transformator mit einer einzigen Sekundärwicklung speisen. Die Art und Weise des Anschlusses der Belastungen kann jedoch beliebig gewählt werden.

Wie aus der vorhergehenden Beschreibung der Erfindung verständlich geworden ist, definieren die Elektrodensegmente auf jeder Seite des Generators einen Potentialgradienten in Richtung des Plasmaflusses. Anders ausgedrückt: In Fig. 8 arbeitet das Segment 73 h mit einem höheren positiven Potential als das Segment 73 a. Das gleiche trifft mit Bezug auf das Segment 74h, verglichen mit dem Segment 74 a, zu. Die auf diese Weise definierten Gradienten passen sich dem inneren longitudinalen, durch Bewegung geladener Teilchen (wie im Zusammenhang mit Fig. 1 und 4 beschrieben) erzeugten Potentialgradienten an und wirken diesem entgegen. Da das in dem Plasmastrom vorhandene Potential an jedem Punkt dem Potential einer benachbarten Elektrode angepaßt ist, existiert keine Potentialdifferenz, welche einen Stromfluß in Längsrichtung durch das Plasma und die Elektroden herzustellen sucht. Hall-Ströme werden in wirksamer Weise beseitigt, wodurch eine Gesamtverbesserung der Arbeitsweise erzielt wird.

Abstand benachbarter Elektrodensegmente

Der Erfolg der Erfindung, die an Hand der Fig. 7 und 8 gezeigt ist, hängt teilweise von dem seitlichen Abstand benachbarter Elektrodensegmente in Richtung des Plasmaflusses ab. Für bestimmte Plasmabedingungen und eine bestimmte elektromotorische Kraft, welche durch Vorbeibewegung des Plasmas an sich gegenüberliegenden Elektroden induziert wird, ist ein bevorzugter Abstand vorhanden, der den zugehörigen Gradienten parallel zu der Strömung in Gegenwirkung zu dem Hall-Stromfluß ergibt. Falls aus Gründen der Zweckmäßigkeit in der Ausführungsform nach Fig. 7 der seitliche Abstand zwischen benachbarten Segmenten mit χ und der durchschnittliche Querabstand zwischen benachbarten Segmenten und den ihnen gegenüberliegenden Elektrodensegmenten mit y bezeichnet wird, kann das Verhältnis der Bemessung von y.x unter Idealbedingungen (Plasma mit homogenen elektrischen Eigenschaften, dünne Grenzschichten an den Wandungen des Plasmastromes, gleichförmiges magnetisches Feld, kleine Potentialabfälle an den Elektroden) durch die Formel

bestimmt werden, wobei

e = elektrischer Wirkungsgrad des Generators,
= äußere Belastungsimpedanz ·/. Belastung
+ innere Impedanz des Generators,

w — Elektronenzyklotronfrequenz in
Radian/Sekunde,

t = mittlere freie Zeit des Elektrons zwischen
Zusammenstößen mit Plasmateilchen
in Sekunden.

(Die Werte für w und t für irgendein bestimmtes Plasma können durch Anwendung der Grundsätze errechnet werden, die in der Literaturquelle Lyman Spitzer, »Physics of Fully Ionized Gases«, Jr. Interscience Publishers, Inc., 1956, sowie in anderen Standardwerken angegeben sind.)

Diese Gleichung kann aus dem bekannten Ausdruck für den Stromfluß J_x parallel zu dem Plasmastrom

IO

Jx =

(QuB-Ci-Ey-E_x) (2)

abgeleitet werden, wobei

λ = skalare Leitfähigkeit des Plasmas,

Ω = wt,

B — magnetische Feldstärke,

E_y = Potentialgradient zwischen Elektroden
quer zum Plasmastrom,

E_x = Hall-Potentialgradient longitudinal durch
den Plasmastrom,

M = makroskopische Geschwindigkeit des
Plasmastromes.

35

Falls der Hall-Strom auf Null vermindert werden soll, muß der Ausdruck für J_x gleich Null gemacht werden. Bei Vereinfachung des entstehenden Aus-

E
drucks ergibt sich das folgende Verhältnis von —??:

E_x

"E]

\ J "\e "j

wobei e = —-- ist.
u B

Das Verhältnis von y: χ für die in F i g. 8 dargestellte Ausführungsform kann durch Anwendung der folgenden Gleichung bestimmt werden:

45

2.

(4)

wobei N = die Zahl der in dem Generator vorhandenen getrennten Stromkreise ist, die bei der Ausführungsform nach F i g. 8 gleich zwei ist.

Ein Vorteil der Gestaltung eines MHD-Generators nach F i g. 8 liegt darin, daß der Elektrodenabstand N-fach enger als in der Ausführungsform nach Fig. 7 sein kann. Dies hat den Vorteil, daß eine zusätzliche Elektrodenfläche geschaffen wird, um den Stromfluß anzupassen und die Größe unwirksamer Räume zwischen benachbarten Elektrodensegmentcn auf ein Minimum zu verringern. Die Schaffung von zahlreichen Wegen niedriger Impedanz für den Stromfluß ergibt erhöhten Betriebswirkungsgrad.

An dieser Stelle erscheint die Bemerkung zweckmäßig, daß ein weiterer Vorteil der in Fig. 7 und 8 dargestellten segmentförmigen Elektroden darin besteht, daß getrennte Ansatzpunkte zur Bildung von Stromwegen, d. h. Lichtbögen, vorhanden sind. Mit anderen Worten: Bei einer langen kontinuierlichen Elektrode, wie z. B. der Elektrode gemäß Fig. 5, besteht die Tendenz, daß sich leitende Lichtbögen zwischen den Elektroden an verhältnismäßig wenigen Punkten der Elektroden konzentrieren. Dies führt zu einer Erwärmung und gegebenenfalls zur Zerstörung der Elektroden. In den Ausführungsformen nach F i g. 6 bis 8 sind jedoch die Lichtbögen von Natur aus auf alle Segmente der vorhandenen Anzahl der Elektrodensegmente gerichtet, und es wird eine bessere Stromverteilung und längere Elektrodenlebensdauer erhalten.

Das Verhältnis des Querabstandes zu dem seitlichen Abstand der Elektroden in Fig. 6 ist unwesentlich, da die Beseitigung von Hall-Strömen bei dieser speziellen Ausführungsform der Erfindung davon abhängt, daß jede Verbindung zwischen benachbarten Elektrodensegmenten fehlt. Dies beseitigt jeden Weg für Hall-Stromfluß.

Schlußfolgerung

Aus Gründen der Zweckmäßigkeit ist die vorstehende Beschreibung hauptsächlich auf die Anwendung der Erfindung in magnetohydrodynamischen Generatoren gerichtet worden. Jedoch ist verständlich, daß die gleichen Grundsätze auf magnetohydrodynamische Beschleuniger angewandt werden können, d. h. auf Vorrichtungen, in denen ein elektrisches Potential quer durch ein magnetisches Feld angelegt wird, um Plasma durch das Feld hindurch zu beschleunigen. In gleicher Weise wie der bereits beschriebenen sind solche Vorrichtungen dem Hall-Effekt unterworfen, der durch Anwendung der Grundsätze der Erfindung beseitigt werden kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Verhindern der Zirkulation von Hall-Strom parallel zu und innerhalb eines Stromes von elektrisch leitendem Plasma, das durch ein senkrecht zur Strömungsrichtung verlaufendes magnetisches Feld in einem MHD-Generator fließt, welcher segmentförmige, entlang der Strömungsrichtung und im rechten Winkel zum Magnetfeld angeordnete Elektroden aufweist, wobei einzelne sich gegenüberliegende Elektroden miteinander in Reihe geschaltet sind und das Potential bestimmter Segmente der segmentförmigen Elektroden anderen Segmenten der Elektroden aufgedrückt wird, gekennzeichnet durch eine Anpassung der Potentiale der Elektrodensegmente an das Hall-Potential in der Weise, daß in Längsrichtung der Strömung ein dem longitudinalen Potentialgradienten im Plasma ao entgegengerichteter Potentialgradient mit einem Wert geschaffen wird, der eine Längskomponente in dem sich ergebenden Stromfluß im Plasma ausschließt.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfah- as rens nach Anspruch 1 mit einer Anzahl getrennter Elektroden, die im Abstand zueinander in Transportvorrichtungen für das Plasma liegen, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des transversalen Abstandes zwischen sich gegenüberliegenden Elektroden zu dem seitlichen Abstand

(2 g\
1 ist,

wobei w die Elektronenzyklotronfrequenz, ί die mittlere freie Zeit des Elektrons zwischen Teilchenzusammenstößen in dem Plasma und e der elektrische Wirkungsgrad des Generators bedeutet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Paar von sich gegenüberliegenden Elektroden an einen Wechselrichter angeschlossen ist und daß jeder Wechselrichter eine Primärwicklung enthält, die der gemeinsamen Sekundärwicklung eines -Transformators zugeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Paare von sich gegenüberliegenden Elektroden in Reihe durch das Plasma und die elektrischen Verbindungen außerhalb des Plasmas geschaltet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gruppe von Paaren der sich gegenüberliegenden Elektroden in Reihe mit einer der Belastungen geschaltet ist und eine andere Gruppe von Paaren der sich gegenüberliegenden Elektroden in Reihe mit einer anderen der Belastungen geschaltet ist, wobei die Reihenschaltung jeder Gruppe in die Reihenschaltung der anderen Gruppe eingeschoben ist

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des transversalen Abstandes zwischen sich gegenüberkennzeichnet, daß das Verhältnis des transversalen Abstandes zwischen sich gegenüberliegenden Elektroden zu dem seitlichen Abstand benachbarter Elektroden N wt [^j--) beträgt, chenzusammenstößen innerhalb des Plasmas, e den elektrischen Wirkungsgrad des Generators und N die Anzahl von zwischengeschobenen in Reihe liegenden Stromkreisen bedeutet.