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Magnetohydrodynamischer Generator Bei einem magnetohydrodynamischen
Generator, nachfolgend mit MHD-Generator abgekürzt, wird einem rasch strömenden
Arbeitsmedium (Plasma bzw. ionisiertes Gas) elektrische Energie entzogen. Wird das
Plasma bzw. seine Strömungsgeschwindigkeit thernlisch erzeugt, so handelt es sich
um eine Direktumwandlung thermischer in elektrische Energie. Zur Erhöhung des Ionisationsgrades
und der Leitfähigkeit des Arbeitsgases werden sogenannte Saatmaterialien verwandt.
Zur Erzeugung elektrischer Energie wird das Plasma durch ein zur Strömung transversales
Magnetfeld geführt, Senkrecht zur Strömung und zum Magnetfeld entsteht an Elektroden
eine nutzbare elektromotorische Kraft.
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Besonders gedrungene Bauweise ergibt sich mit schraubenlinienförmig
geführtem Plasma. Dazu ist bereits bekannt, Plasma zwischen koaxialen Elektroden
in einem axialen Gleichmagnetfeld auf einer Schraubenbahn durchzuführen. Auf diese
Weise wird Gleichstrom gewonnen.
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Zur unmittelbaren Erzeugung elektrischen Wechselstromes ist bekanntlich
eine der maßgebenden Größen für die Stromerzeugung periodisch zu ändern. So kann
man z. B. magnetische Wanderfelder und Drehfelder oder pulsierendes Plasma verwenden.
Um im MHD-Generator Verluste durch Kurzschlußströme zu vermeiden, müssen neben der
Isolation der Elektroden meist auch Maßnahmen getroffen werden, die einen Kurzschluß
über das Plasma außerhalb des angelegten Magnetfeldes vermeiden. Bei einem bekannten
MHD"Generator zur Wechselstromerzeugung wird, um Verluste durch Kurzschlußströme
zu verhindern, zwischen koaxialen Wandungen eine axiale Plasmaströmung in einem
radialen Magnetfeld verwendet. Dadurch ergeben sich zirkulare Kreisströme im Plasma,
die mit der Plasmaströmung axial weiterwandern und an einer kanalabwärts angeordneten
Wicklung eine elektromotorische Kraft (EMK) induzieren. Die bekannte Ausführung
benötigt also eine Wicklung für das Magnetfeld und eine Wicklung, um die erzeugte
elektrische Energie abzunehmen. Als Nachteil ergibt sich eine relativ große Baulänge
des Kanals, wobei nur Teilbereiche des Generatorkanals zur Stromgewinnung ausgenutzt
werden können.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einem MHD-Generator
gedrungener Bauart und großer wirksamer Länge des Generatorkanals unter Vermeidung
von Kurzschlußverlusten Wechselstrom mit nur einer Spule zu erzeugen. Die Erfindung
löst die Aufgabe durch einen MHD-Generator mit koaxialen Elektroden, zwischen denen
auf einer Schraubenbahn ein ionisiertes Arbeitsmedium, z. B. ein Gas, in einem elektrisch
erzeugten axialen Magnetfeld geführt ist. Die Erfindung liegt darin, daß die Elektroden
miteinander leitend verbunden sind und die Magnetwicklung an ein Wechselstronmetz
angeschlossen ist. Dabei wird dem Netz durch die Magnetwicklung induktive Blindleistung
zum Aufbau des Magnetfeldeg entnommen, und zugleich wird
Wirkleistung aus
derselben Wicklung ins Netz eingespeist, Der Generator ist daher besonders geeignet,
an Verbundnetzen mitzulaufen.
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Durch tangentiale Plasmaströmung v (nach F i g. 1
der Zeichnung)
entsteht im Zusammenhang mit dein axialen Magnetfeld H ein radiales elektrisches
Feld E
zwischen den Elektroden, das sich über die leitfähigen Wände sofort
ausgleichen kann. Das verursacht einen Strom I, der über die leitend verbundenen
koaxialen Elektroden als Wandstrom geschlossen ist. Wegen des radialen Stromes I
ergibt sich durch das axiale Magnetfeld H ein kräftiger Halleffekt, der im Plasma
zwischen den leitend verbundenen Elektroden einen zirkularen Hallstrom Ill ergibt.
Da dieser entlang der
ganzen Kanalachse auftretende Hallstrom zeitlich sinusförmig
verläuft, wenn die Magnetwicklung Wechselstrom durchfließt, wird in der Magnetwicklung
eine Spannung induziert, die dem Erregerstrom I, für das Magnetfeld um etwa
90 elektrische Grad voreilt und damit der Erregerspannung proportional ist
und diese unterstützt. Wie bei den bekannten Generatoren wird dem Netz also Blindleistung
zum Aufbau des Magnetfeldes entnommen. über die Magnetwicklung wird aber zugleich
dem Netz Wirkleistung für Verbraucher eingespeist.
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Mit dem Generator nach der Erfindung wird eine Spule eingespart, und
es entfällt das Isolationsproblem bei den Elektroden. Der Kanal läßt sich einfach
aus leitendem Material wie Thermaxstahl aufbauen,
das mit Wasser
gekühlt werden kann. Auch die Brennkammer kann ohne Isolierung mit dem Generatorkanal
verbunden werden. Ohne Isoliermaterial auszukommen, das hochtemperaturbeständig
sein müßte, ist so bedeutsam, weil neben anderen technologischen Schwierigkeiten
bekanntes Isoliermaterial nicht so widerstandsfähig wie Spezialstähle ist. Darüber
hinaus sind auch Elektrodenableitungsverluste durch das Gas außerhalb des Magnetfeldes
bei dem Generator gemäß der Erfindung nicht möglich.
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Die weitere Erläuterung des Generators nach der Erfindung soff an
Hand von Beispielen durchgeführt werden. Die Zeichnung zeigt schematisch Ausführungsbeispiele
für Generatorkanäle gemäß der Erfindung. Die Bezeichnung gleichartiger Teile und
physikalischer Größen in den drei Figuren stimmen überein.
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F i g. 1 zeigt schematisch einen Generatorkanal zu-sammen
mit der Wicklung im Längsschnitt; mit den Pfeilen sind die Vektoren der physikalischen
Größen eingetragen; F i g. 2 ist schematisch der Querschnitt des Generators
mit eingetragenen Vektoren nach F i g. 1 längs 11-II genommen; in
F i g. 3 ist ein weiterer Generator im Längsschnitt gezeigt.
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.. Nachfolgend wird eine Zusammenstellung für die Bezeichnungen
der in der Zeichnung eingetragenen physikalischen Größen gegeben: E =
elektrische Feldstärke zwischen den Elektroden auf Grund der im Plasma induzierten
Feldstärke, der sie entgegen zeigt.
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EH = Hallfeldstärke ' die auf Grund des zwischen
den Elektroden fließenden StromesI im Zusammenwirken mit dem Magnetfeld H entsteht.
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H = Angelegtes Magnetfeld, das durch den vom Netz entnommenen
ErregerstromI, entsteht. I = über die Elektroden fließender Strom,
der durch die im Plasma induzierte Feldstärke entsteht.
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1,7 = Hallstrom, der auf Grund derHallfeldstärkeE,9 fließt.
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I, = Erregerstrom zum Aufbau des angelegten Magnetfeldes H,
der aus dem Netz entnommen wird.
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v = TangentialeKomponentederPlasmaströmung. F i
g. 1 zeigt den von elektrisch leitenden koaxialen Zylindern2 und
3 und von kreisförmigen Stirnllächen4 als leitende Wandungen begrenzten Generatorkanal
1. Die Wandungen 2, 3 und 4 können aus wassergekühltem Thermaxstrahl
bestehen. Die zylindrischen Elektroden 2 und 3 sind also über die Stimflächen
4 leitend miteinander verbunden. Durch einen Einlaßstutzen 5 tritt das Plasma
in Pfeilrichtung ein, durchläuft wendelförmig den Generatorkanal 1 und verläßt
den Kanal durch den Austritt 6 in Pfeilrichtung. Eine ringförmige Spule
7 erzeugt das axiale Magnetfeld und dient zur Abnahme der induzierten Spannung
bzw. Wirkleistung. Die magnetischen Feldlinien werden durch das Jochstück
9 aus Transformatorblech durch den Generatorkanal 1 in axialer Richtung
geführt.
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Die Querschnittsansicht nach F i g. 2 vermittelt von der zylindrischen
Form des Generatorkanals 1
einen deutlichen Eindruck.
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Der Generator nach F i g. 3, die eine Ansicht im Längsschnitt
gibt, arbeitet nach dem gleichen Prinzip wie der Generator nach F i g. 1.
Dadurch, daß die Wicklung 7 innerhalb der kleineren, 3, der koaxialen
Elektroden 2 und 3 angeordnet ist, ergibt sich ein größerer Kanaldurchmesser
ohne Vergrößerung der gesamten Baueinheit. Das bedeutet einen größeren nutzbaren
Strömungsweg durch den Kanal bei kleinerer Wicklung 7. Der größere Kanaldurchmesser
bedingt kleinere Strömungsverluste an den Wandungen 2 bei gleicher Plasmageschwindigkeit.
Der Führung der magnetischen Feldlinien dient hier ein Kern 8 und Joch
9, die wieder aus Transformatorenblech bestehen können.
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Unter Verwendung von drei Generatoren nach der Erfindung kann ohne
weitere Umstellung Drehstrom erzeugt werden. Dabei ist je ein Generator an
eine Netzphase anzuschließen. Nach Auswechseln der leitenden Stirnflächen 4 des
Kanals durch isolierende Wandungen können die Generatoren jederzeit wieder auf Gleichstromerzeugung
umgestellt werden. Die Generatorwicklung 7 ist dazu mit Gleichstrom zu speisen,
und von den Elektroden 2 und 3 kann erzeugter Gleichstrom abgenommen
werden.