-
Die Erfindung gehört zur Vorrichtung des magnetohydrodynamischen Generators (abgek. MHD-Generator). Sie ist für die Umwandlung der mechanischen Energie des sich bewegenden Arbeitskörpers, der sich im Plasmazustand befindet, in elektrische Energie vorgesehen. Eine bekannte Konstruktion des MHD-Generators, die der Prototyp der vorgeschlagenen Konstruktion ist, ist in [1] dargestellt. Die Wärmeenergie, die bei der Verbrennung des Brennstoffes entsteht, versetzt den Arbeitskörper, z. B. Luft, in den Plasmazustand. Bei hoher Temperatur ionisiert sich das Gas und wird elektrisch leitend. Bei der Ausdehnung verwandelt sich die Wärmeenergie in mechanische Bewegungsenergie des Arbeitskörpers in der Arbeitskammer. Innerhalb der Arbeitskammer sind zwei Elektroden eingebaut. Außerhalb der Arbeitskammer ist eine supraleitende Gleichstromwicklung montiert, die innerhalb der Arbeitskammer das Gleichmagnetfeld erregt, das senkrecht der Bewegungsrichtung des Arbeitskörpers gerichtet ist. Bei der Bewegung des elektrisch leitenden Arbeitskörpers entsteht im Gleichmagnetfeld zwischen den Elektroden elektromotorische Kraft und elektrischer Strom. Eine Vielzahl von Konstruktionsvarianten der MHD-Gleichstromgeneratoren wurde in den 60er–80er Jahren des vorigen Jahrhunderts erfunden. Damals wurden auch Versuchsmuster der MHD-Generatoren entwickelt und deren Erforschung in vielen Ländern durchgeführt. Man nahm an, dass die Installation der MHD-Generatoren in Wärmekraftwerken es ermöglicht, den Wirkungsgrad auf 15% zu steigern. Dies ist jedoch aus einem Grund nicht geschehen. Die existierenden Konstruktionen der MHD-Generatoren konnten eine dauerhafte Funktion als Energiequellen nicht gewährleisten, d. h. die notwendige Ressource erbringen. Der Grund liegt darin, dass die Konstruktion des Prototyps – des MHD-Gleichstromgenerators einen wesentlichen Mangel aufweist. Der elektrische Strom im Arbeitskörper fließt zwischen den Metallelektroden. Beim Durchfließen des Stroms wird die Katode mit Ionen beschossen, die eine große Energie besitzen. Im Ergebnis wird die Katode während des Betriebes zerstört. Alle Versuche, das Problem der Erosion der Elektroden zu lösen, hatten keinen Erfolg. Die erfolgreichsten Konstruktionen der MHD-Gleichstromgeneratoren hatten eine Ressource von einigen hundert Stunden, aber für den Einsatz im industriellen Energiesystem muss eine Ressource von Zehntausenden Stunden gewährleistet sein.
-
Das Erfindungsziel besteht in der Beseitigung des angegebenen Mangels des Prototyps. Es sei eine konstruktive Lösung des MHD-Generators zu finden, die die Anwendung der Elektroden ausschließt.
-
Das technische Ergebnis, auf das die Erfindung ausgerichtet ist, ist die Konstruktion eines MHD-Generators, der dank der bedeutenden Steigerung der Dienstfrist fähig ist, ständig im Energiesystem eingesetzt zu sein und zusätzlich 15% Elektroenergie mehr zu erzeugen.
-
Die konstruktive Lösung des Prototyps [1] stützte sich auf die Anwendung von Supraleitern, die nur ein magnetisches Gleichfeld erzeugen können.
-
Im Zusammenhang mit der Entwicklung der Hochtemperatursupraleitung sind zurzeit Supraleiter entwickelt worden, die auf der Grundlage von Wechselstrom funktionieren. Aus Supraleiter hergestellte Wicklungen sind fähig, ein magnetisches Wechselfeld mit einem hohen Induktionswert und minimalen Energieverlusten in der Industriefrequenz von 50–60 Hz zu erzeugen.
-
Auf der Basis der Hochtemperatursupraleiter werden Kabel- und Transformatorversuchsmuster für Industrieenergiesysteme hergestellt. Die Wicklungen solcher Transformatoren werden durch Flüssigstickstoff abgekühlt. Diese positive Erfahrung kann bei der Konstruktion von MHD-Wechselstromgeneratoren ausgewertet werden.
-
Zur Beseitigung des Hauptmangels des Prototyps [1] wird eine Konstruktion des MHD-Generators vorgeschlagen, die die Anwendung von Elektroden ausschließt. Die Energieumformung kommt durch Bremsung des Arbeitskörpers im Magnetlauffeld zustande. Der Arbeitskörper begibt sich im Plasmazustand in den konischen Ringkanal, auf dessen äußeren Oberfläche eine Dreiphasenwechselstromwicklung angebracht wird. Die Wechselstromwicklung erzeugt ein Magnetfeld, das sich im konischen Ringkanal bewegt. Die Geschwindigkeit des Magnetlauffeldes wird niedriger als die Bewegungsgeschwindigkeit des Arbeitskörpers im Kanal eingestellt. Deshalb ruft das Magnetlauffeld im elektroleitenden Arbeitskörper elektromotorische Kraft und Wirbelströme hervor, wie dies ähnlich beim Rotor des linearen Asynchronelektromotors geschieht. Bei der Wirbelströme-Magnetlauffeld-Wechselwirkung entsteht eine Kraft, die den Strom des Arbeitskörpers bremst und in der Dreiphasenwechselstromwicklung werden elektromotorische Kraft und aktiver Strom generiert, der ins Energiesystem geleitet wird. Die Geschwindigkeit des Magnetlauffeldes wird durch die Stromfrequenz in der Dreiphasenwechselstromwicklung bestimmt. In diesem Zusammenhang sieht das elektrische Verbindungssystem den Anschluss der Dreiphasenwicklung an das Energiesystem mit Hilfe eines Frequenzwandlers vor. Aus der Theorie der Elektromaschinen ist bekannt, dass die Parameter der induktionselektrischen Maschine, der der MHD-Gleichstromgenerator zugerechnet werden kann, von der Schlupfgröße abhängt, das heißt von der relativen Differenz der linearen Bewegungsgeschwindigkeiten des Arbeitskörpers und des ihn bremsenden Magnetlauffeldes. Bei der Stromzuführung unveränderlicher Frequenz in die Dreiphasenwicklung ist die Geschwindigkeit des Magnetlauffeldes in der gesamten Länge des Arbeitskanals konstant. Zur Funktionssicherung der Elektromaschine im Generatorbetrieb muss die Geschwindigkeit des Magnetlauffeldes niedriger als die Bewegungsgeschwindigkeit des Arbeitskörpers sein. Die im Ergebnis der elektromagnetischen Wechselwirkung entstehenden Induktionsströme führen zu Verlusten der Energie, die zur Erwärmung des Arbeitskörpers verwendet wird. Der Wirkungsgrad des Generators hängt hauptsächlich von diesen Verlusten ab, die sich steigern bei der Steigerung des Schlupfwertes. Deshalb erlaubt die Senkung des Schlupfnominalwertes die Effektivität des MHD-Wechselstromgenerators wesentlich zu erhöhen. Zur Steigerung des Wirkungsgrades des MHD-Generators wird eine Konstruktion vorgeschlagen, bei der entlang des Arbeitskanals anstatt einer mehrere getrennte Dreiphasenwechselstromwicklungen montiert werden. Jede Wicklung wird mit Strom verschiedener Frequenz gespeist. Im Ergebnis der Verteilung nach der Länge wird der Schlupfwert jeder Wicklung niedriger als der Nominalschlupfwert bei einer Wicklung sein. Die getrennten Dreiphasenwechselstromwicklungen werden an das Energiesystem mit Hilfe statischer Frequenzwandler angeschlossen, die die notwendige Stromfrequenz für jede der getrennten Wicklungen erzeugen. Das konstruktive Schema des MHD-Wechselstromgenerators ist auf dem Bild 1 dargestellt. Die Arbeitskammer des MHD-Generators hat die Form eines kegelförmigen Ringkanals, der mit Hilfe zweier Kegel gebildet wird. Der äußere Kegel wird aus wärmebeständigem Stoff hergestellt, z. B. aus Keramik. Er wird mit dem Eingangsrohr 3 verbunden, durch welches das infolge der Kraftstoffverbrennung ionisierte Gas in den Arbeitskanal 1 zugeführt wird. Am Ausgang wird der Arbeitskanal mit dem Ausgangsrohr 4 verbunden. Nach dem Durchgang des Arbeitskanals 1 wird das Gas durch das Rohr 4 zur Verwendung im Kesselturbinenkomplex des Wärmekraftwerks zugeführt. Der innenbildende Kegel 5 wird ebenfalls aus wärmebeständigem Stoff hergestellt. Von der Eingangsseite des Gasstroms wird der Kegel 5 mit dem hydraulischen Ansatzstück verbunden. Die Stirnansatzstücke 6 und 7 stellen die notwendige Festigkeit der Konstruktion des innenbildenden Kegels 5 sicher. Die Installation und Befestigung des Innenkegels 5 innerhalb des Außenkegels 2 seitens des Eingangs wird mit Hilfe des Halters 8 ausgeführt, der das Stirnansatzstück 6 im Rohr 3 festmacht. Seitens des Gasausgangs hält der Halter 9 das im Rohr 4 installierte Stirnansatzstück 7. Die Stirnansatzstücke 6 und 7 und die Halter 8 und 9 werden aus hitzebeständigen Stoffen hergestellt, z. B. aus Keramik. Zur Erzeugung des Magnetlauffeldes sieht die Konstruktion, die auf dem Bild 1 dargestellt ist, die Installation an der Außenseite des konischen Ringkanals 1 der Dreiphasenwechselstromwicklung 10 vor.
-
Die Dreiphasenwechselstromwicklung 10 wird aus supraleitendem Draht, z. B. auf der Grundlage von Yttrium-Barium hergestellt und wird in flüssigen Stickstoff eingetaucht. Zur Sicherstellung der zuverlässigen Funktion bei der Temperatur des flüssigen Stickstoffs wird die Wicklung 10 im Kryostat 11 untergebracht. Eine andere Methode, durch die eine Steigerung der Magnetinduktion im Arbeitskanal 1 erreicht werden kann, ist die Magnetabschirmung. Zu diesem Zwecke wird von außen der supraleitenden Wechselstromwicklung 10 der ferromagnetische Schirm 12 installiert. Der ferromagnetische Außenschirm ist kegelförmig. Zur Minderung der Energieverluste durch die Wirkung des Magnetwechselfeldes wird der Schirm 12 vollgeblecht, d. h. er wird so wie der Transformatorkern hergestellt. Die Abschirmung des Magnetlauffeldes wird auch mit Hilfe des inneren ferromagnetischen Schirmes 13 ausgeführt. Der ferromagnetische Schirm 13 wird an der inneren Oberfläche des inneren Kegels 5 montiert. Der ferromagnetische Schirm 13 wird auch vollgeblecht hergestellt. Mit Hilfe der Stirnzylinder 14 und 15 wird der Schirm 13 mit den Ansatzstücken 6 und 7 verbunden. Die Spulendreiphasenwicklung 10 wird mit Hilfe zylindrischer Zwischenlagen 16 montiert, die eine zylindrische Spule von der anderen trennen. Die Zylinder 16 sind ein Teil der Magnetleitung des Magnetlaufstromes. Zur Minderung der Energieverluste werden die Zylinder 16 aus einzelnen isolierten elektrotechnischen Stahlblechen hergestellt. Zur Sicherung der Festigkeit der Konstruktion werden die Wicklungsspulen 10 und die Zwischenlagen von zwei Seiten mit zylindrischen Stirnplatten 17, 18 zusammengezogen. Der Kryostat 11, in dem eine supraleitende Wechselstromwicklung eingebaut ist, wird in Form eines Dewar-Gefäßes mit Vakuumschirmisolation der Außenoberfläche 19 hergestellt, die die minimalste Wärmezufuhr in das Bereich der Wicklungsanordnung sicherstellt. Der innere Hohlraum des Kryostats 11 hat die Form eines Kegels und der Außenhohlraum hat die Form eines Zylinders. Der Kryostat 11 hat eine auseinandernehmbare Konstruktion. In den Metallkonstruktionen erzeugt das Wechselmagnetfeld Wirbelströme. Um Energieverluste und die Abschirmung des Magnetfeldes zu vermeiden, wird die innere Kegeloberfläche des Kryostats 20 aus nichtmetallischen Stoffen, zum Beispiel aus Glasgewebe hergestellt. Flüssigstickstoff, das als Kälteagent dient, wird in die Stirnkammer des Kryostats 21 und in die zylindrische Achsenkammer eingegossen. Die Kammern 21 und 22 sind Schirme des Kryostats, die den Kryostat von den äußeren Wärmezufuhren schützen. Die Zufuhr des Flüssigstickstoffs aus der Kammer 22 in die supraleitende Wicklung 10 wird mit Hilfe der Vakuumröhre 23 ausgeführt, die innerhalb des zylindrischen Halters des ferromagnetischen Außenschirms 24 durchgehen. Der Flüssigstickstoff wird in die Kammer 25 zugeführt, die durch zwei zylindrischen Zwischenlagen 16 gebildet wird. In der Kammer 25 kühlt der Flüssigstickstoff die Oberfläche der Spulen der Dreiphasenwechselstromwicklungen und der ferromagnetischen Schirme 12 und 16 ab. Der sich bei der Verdampfung bildende gasartige Stickstoff wird in die Gaseinsammlungskammer im Stirnteil des Kryostats 26 zugeführt. Im inneren ferromagnetischen Schirm 13 entstehen beim Betrieb des Generators vom Wechselmagnetfeld ebenfalls Energieverluste. Die Konstruktion sieht eine Wasserkühlung des Schirms 13 vor. Das abkühlende Wasser wird über den Halter 9 in die konische Kammer zugeführt, die sich an der inneren Oberfläche des ferromagnetischen Schirms 13 befindet.
-
Auf dem Bild 2 ist die strukturelle elektrische Schaltung des Anschlusses des MHD-Generators an das Energiesystem dargestellt. Eine kennzeichnende Besonderheit der vorgeschlagenen Konstruktion des MHD-Generators ist die Installation an der Außenoberfläche des Arbeitskanals anstatt einer mehrerer Wechselstromwicklungen entlang des Kanals. Der auf dem Bild dargestellte MHD-Generator 1 hat zwei Dreiphasenwechselstromwicklungen 2 und 3. Die erste Wicklung 2 wird an die Schienen des Energiesystems 8 über den statischen Frequenzwandler 4 und Transformator 5 angeschlossen. Die zweite Wicklung 3 wird über den statischen Frequenzwandler 6 und Transformator 7 angeschlossen. Die erste Wicklung 2 wird mit Wechselstrom f1 und die zweite Wicklung 3 mit Wechselstrom f2 gespeist. Die Frequenzen bei f1 und f2 werden so gewählt, um den minimalsten Schlupfwert in jeder der getrennten Wicklungen sicherzustellen. Die Trennung der Wicklungen des MHD-Generators ermöglicht die Verluste von Wirbelströmen in der Plasma bedeutend zu verringern und den Wirkungsgrad des Generators zu erhöhen. Der MHD-Generator funktioniert folgenderweise. Beim Anlauf des Generators wird in die Kammer 21 und 22 des Kryostats 11 (Bild 1) Flüssigstickstoff zugeführt. Nach dem Durchfluss des Kanals 23 füllt der Flüssigstickstoff die Kammern 25 und die Spulen 10 der supraleitenden Wicklung kühlen ab, dabei kühlt auch der ferromagnetische Außenschirm 12 ab. Nachdem die Temperatur des Flüssigstickstoffes erreicht ist, werden die Wechselstromwicklungen 2 und 3 (Bild 2) an das Energiesystem 8 angeschlossen. Mit Hilfe der Frequenzwandler 4 und 6 wird an die Wicklungen 2 und 3 Spannung zugeführt und in ihnen entsteht elektrischer Strom, der für die Bildung des Laufmagnetfeldes entlang des Arbeitskanals notwendig ist. Der MHD-Generator wechselt zur Betriebsweise mit Blindstromspeisung, die der Leerlaufweise eines Asynchronmotors ähnlich ist. Durch das Eingangsrohr 3 (Bild 1) wird in den Arbeitskanal 1 heißes Gas zugeführt – elektrisch leitender Arbeitskörper im Plasmazustand. Bei der Bewegung des Plasmas im Laufmagnetfeld entsteht in den Wechselstromwicklungen 2 und 3 elektromotorische Kraft und Aktivstrom. Bei der Bremsung des Plasmas wird die mechanische Energie in elektrische Energie transformiert und in das Energiesystem 8 eingespeist. Gas, das den Arbeitskanal des MHD-Generators passiert hat, wird in den Kesselturbinenzyklus zur weiteren Verwendung im Kraftwerk zugeführt.
-
Die vorgeschlagene Konstruktion des MHD-Wechselstromgenerators ermöglicht, einen Dauerbetrieb mit der notwendigen Ressource an den traditionellen Wärmekraftwerken zu verwirklichen, dabei wird der Wirkungsgrad der Energieanlage um 15% steigen.
-
Der vorgeschlagene MHD-Generator kann als Energiequelle der autonomen Atomenergieanlage mit Gaswärmeträger, der in Raumschiffen angewendet wird, realisiert werden. Zweckmäßig ist auch die Anwendung des vorgeschlagenen MHD-Generators in Kraftwerken mit Anlagen der Atomkernfusion. In diesem Falle dient als Arbeitskörper ionisiertes Gashelium, das aus dem Fusionsreaktor austritt.
Literatur: Patent USA
US 000.005.2606 40A Method of and system for producing electrical power.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
