DE2541759C3 - Magnetohydrodynamisches (MHD) System - Google Patents

Description

anordnung und einem während des Betriebs des MHD-Systems positiv vorgespannten Kollektor in der Anodenanordnung mit einer Durchgangsöffnung zum Hauptplasmastrom geschaltet. Im Bitrieb erzeugt die Anodenanordnung einen Plasmastrahl, der durch die Durchgangsöffnung des gegenüber dem Emitter positiv geladenen Kollektors hindurchtritt und als Kollektorelektrode für den Strom wirkt, der durch den Hauptplasmastrom und durch die Last zur entspre chenden Kathodenanordnung fließt.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist der Kollektor der Anodenanordnung gegenüber der Innenfläche des MHD-Generator-Hauptkanals zurückgesetzt in die Kanalwandung eingesetzt. Auf diese Weise wird vermieden, daß die Elektroden korrodierenden Wirkungen entweder durch die ionisierten Gase des Hauptplasmastroms oder durch dessen Impfelemente ausgesetzt werden.

Wenn der Durchmesser des durch die Kollektoröffnung der Anodenanordnung austretenden Plasma-Strahls unter sonst gleichen Bedingungen vergrößert wird, wirkt sich dies in einer Herabsetzung der Geschwindigkeit des Strahls aus. Daher ist, wenn große Durchgangsöffnungen vorgesehen werden, der Strahl weniger in der Lage, die Grenzschicht des Hauptpiasmastroms zu durchdringen. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird jedoch eine zusätzliche Magnetfeldwicklung um eine erweiterte Durchgangsöffnung herum angeordnet. Dies ergibt eine Wechselwirkung zwischen dem zusätzlichen Magnetfeld und dem Plasmastrahl, so daß dieser be, seinem Durchtritt durch die Durchgangsöffnung rotiert und eine beträchtliche Expansion erfährt. Der Plasmastrahl füllt damit die erweiterte Durchgangsöffnung, so daß sich ein wirksamer Wärmeübergang vom Haupt-MHD-Plasmastrom zur Last ergibt.

Schließlich sind gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung die Elektrodenanordnungen von einer magnetischen Abschirmung umgeben. Dies hat zur Folge, daß das MHD-Generator-Magnetfeld eine geringere Störung des Brennens der Elektrodenanordnungen verursacht und somit die Brennqualität verbessert ist.

Im folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines herkömmlichen MHD-Generators,

Fig. 2 eine Schnittansicht einer typischen Piasmastrahlelektrode, die zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen System geeignet ist,

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Elektrode nach Fig. 2, eingebaut in ein erfindungsgemäßes MHD-System,

Fig. 4 eine Schnittansicht einer anderen Ausführungsform der in Fig. 2 dargestellten Elektrode,

Fig. 5 ebenfalls eine weitere Ausführungsform einer Elektrode, die zur Vollendung bei dem erfindungsgemäßen System geeignet ist, und

Fig. 6 eine schematise!.- Darstellung einer Anzahl Plasmastrahlelektroden im Stromkreis mit einer MHD-Last.

Wie sich aus Fig. 1 ergibt, besitzt ein MHD-Generator an sich bekannter Art einen Kanal 10, der einen Hauptstrom aus einem elektrisch leitenden Hochtemperaturplasma an einem liinlaßende aufnimmt, wie durch den Pfeil 12 dargestellt. MHD-Generatoren

haben häufig Einlaßtemperaturen von etwa 2760° C (5000° F) oder höher, besonders wenn hohe Konzentrationen an Sauerstoff in den vom Generator aufgenommenen Verbrennungsgasen verwendet werden. Infolgedessen sind, obwohl ein MHD-Generator keine sich bewegenden mechanischen Teile besitzt, die Wärmespannungen beträchtlich.

Durch eine geeignete Wahl der Form und des Entladungsdruckes des Kanals 10 kann das Plasma dazu ίο gebracht werden, daß es sich durch den Kanal mit einer im wesentlichen konstanten Geschwindigkeit, wie durch den Pfeil 14 dargestellt, an einer oder mehreren Elektroden, wie bei 16 und 18 gezeigt, bewegt, welche in einem Stromkreis 20 mit einer Last 22 angeordnet sind.

Quer zu dem Kanal wird in einer Richtung senkrecht zur Richtung der Plasmaströmung und der Ebene der Zeichnung ein magnetisches Feld gelegt, wie durch herkömmliche Symbole 24 angegeben. Dieses Feld kann beispielsweise durch eine Wicklung 26 erzeugt werden, der elektrischer Strom von einer herkömmlichen Quelle oder von dem Generator selbst zugeführt werden kann. Auf diese Weise erzeugt das MHD-System eine EMK zwischen den Elektroden 16 und 18, wie durch Pfeile 27 angegeben.

Die elektrische Leitfähigkeit des Gases, das dem Kanal zugeführt wird, steht im Verhältnis zum Grad seiner thermischen Ionisierung, die von seiner Temperatur abhängig ist. Um eine solche Ionisieiung bei niedrigeren Temperaturen zu erzielen, ist es üblich geworden, kleine Mengen (0,1 bis 1%) eines leicht ionisierbaren Materials wie Kalium oder Caesium, zuzusetzen. In ähnlicher Weise werden, damit die MHD-Generator-Elektroden den hohen Temperaturen besser standhalten können, diese gekühlt. Es besteht daher die Gefahr, daß der Impfstoff an den Elektroden kondensiert und einen Elektrodenschluß verursacht.

Wie erwähnt, ist es bekannt, die bisher verwendeten Elektroden teilweise außerhalb der Wände des Kanals 10 anzuordnen und mit einem inerten Gas zu umgeben, damit die außerhalb angeordneten Elektroden nicht dem Hauptplasmastrom des Generators ausgesetzt werden. Die außerhalb angeordnete Elektrode wird daher nicht solch hohen Temperaturen, einer Impfstoffkondensation oder einem Elektrodenschluß ausgesetzt. Solche bekannten Elektroden sind jedoch nicht völlig zufriedenstellend, so daß ein Bedarf für eine Elektrodenanordnung der nachfolgend beschriebenen Art besteht.

Die in Fig. 2 dargestellte Elektrode besitzt einen Kollektor 28, der aus Materialien wie Kupfer hergestellt werden kann. Der Kollektor ist von einem Umfangskanal 30 innerhalb eines Mantels 32 umgeben, um einen Leitungsweg für ein Kühlmittel, wie Wasser, zu bilden, das diesem durch eine Leitung 34 zugeführt und durch eine nicht gezeigte ähnliche Leitung abgeleitet wird.

Ein Gaseinleitungsring 36 aus Bornitrid od. dgl.

bo liegt gegen den Kollektor 28 an und ist mit einer Umfangsnut 38 für die Zufuhr eines inerten Gases, wie Argon, durch eine Einlaßleitung 40 zu Einlaßdüsen 42 versehen. Aus den Düsen gelangt das Gas in eine Kammer 44, die eine Emitterspitze 46 aus thoriertem

hi Wolfram od. dgl. umgibt. Die Emitterspitze 46 wird durch einen Halter 48 in ihrer Stellung gehalten, der innerhalb der Anodenanordnung durch geeignete Mittel verstellbar angeordnet ist, beispielsweise durch

einen Haltering 50 und einen »O«-Ring 52, zur Verstellung innerhalb eines Isolierblockes 54, der ebenfalls gegen den Gaseinleitungsring 36 anliegt und innerhalb des Mantels 32 durch den Haltering 50 gehalten wird.

Das Kühlmittel wird im Halter 48 durch Kühlmitteleinlaß- unu Auslaßleitungen 56 und 58 in Umlauf gesetzt, und der Emitter ist mit dem Kollektorelement 28 durch einen Stromkreis 60 über eine Vorspannungsquelle, beispielsweise durch eine Gleichspannungsquelle 61, verbunden, so daß der Kollektor gegenüber dem Emitter positiv gehalten wird.

Im Betrieb wird ein geeignetes Gas, wie Argon, Stickstoff, Helium od. dgl., über die Leitung 40 der Kammer 44 zugeführt, in welcher es über die Emitterspitze 46 geblasen wird. Das Gas tritt dann durch eine Öffnung 62 aus, die als Düse für die Elektrode 18 wirkt. Wenn das Gas zwischen dem Kollektor und dem Emitter hindurchtritt, wird durch die Spannungsquelle 61 das Gas zur Bildung eines Plasmastrahls ionisiert.

Zwei der vorangehend beschriebenen Elektrodenanordnungen sind in Fig. 3 schematisch dargestellt, in welcher eine Kathoden-Plasmastrahl-Elektrode 16 sowie eine Anodenplasmastrahl-Elektrode 18 gezeigt sind, die den in Fig. 1 dargestellten Elektroden entsprechen. Beider dargestellten Ausführungsform sind die Elektroden in einer gut isolierten Wand 63 des Kanals 10 so eingebaut, daß sie gegenüber den Innenflächen 64 der Kanalwand zurückgesetzt liegen und über die Last 22 durch den Emitter 48c der Kathodenanordnung und den Kollektor 28a der Anodenanordnung verbunden sind.

Im Betrieb tritt das durch den Kanal 10 strömende Hauptplasma 14 in Wechselwirkung mit dem magnetischen Feld 24, so daß quer zum Kanal eine Potentialdifferenz besteht. Wenn die Gase aus den Düsen 42c und 42a sn ihrer jeweiligen Emitterspitze 46c bzw. 46a vorbeigeblasen werden, werden sie durch die Spannungsquellen 61c und 61a zur Bildung von Plasmastrahlen 66 und 68 ionisiert, die als Elektroden wirken und eine Stromzufuhr zur Last 22 ermöglichen. In diesem Zusammenhang ist zu betonen, daß die Last zwischen den Emitter 48c der Kathodenanordnung und den Kollektor 28a der Anodenanordnung geschaltet ist. Auf diese Weise kann ein starker Plasmastrahlfluß von dem Emitter der Anodenanordnung aufrechterhalten werden, während gleichzeitig der MHD-Ausgangsstrom zwischen den stabilen Plasmastrahlelektroden fließen kann, weiche infolge ihrer Stabilität ermöglichen, daß die Elektrodenanordnun-

eingesetzt werden.

Wie erwähnt, ist es, wenn die Durchgangsöffnung einer Plasmastrahlelektrode erweitert wird, schwierig, angemessene Plsmageschwindigkeiten aufrechtzuerhalten, ohne die Gasströmung durch die Düsen 42 zu erhöhen. Die schematisch in Fig. 4 dargestellte Bauform ermöglicht jedoch eine wünschenswert große Durchgangsöffnung 62 ohne Erhöhung des Massendurchsatzes der Inertgasströmung durch die Leitung 40. Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 umgibt eine zusätzliche Magnetfeldwicklung 70 den Mantel 32 und induziert ein zusätzliches Magnetfeld um die Elektrodenanordnung herum. Dieses Magnetfeld tritt in Wechselwirkung mit dem Plasmastrahl zwischen der Emitterspitze 46 und dem Kollektor 28, so daß der Plasmastrahl rotiert, wie durch den Pfeil 72 angegeben. Dabei wird das Gas so erhitzt, daß sich der Plasmastrahl beträchtlich ausdehnt und weiterhin aus der öffnung 62 mit einer hohen Geschwindigkeit austritt.

^r> Die Bauform nach Fig. 4 kann entweder bei der Anodenanordnung oder bei der Kathodenanordnung oder bei beiden angewendet werden. Ferner ist zu erwähnen, daß die Rotation des Plasmastrahls den Öffnungsquerschnitt nicht auf eine kreisförmige Gestalt

in begrenzt. Der Plasmastrahl rotiert auch zufriedenstellend, wenn die öffnung 62 beispielsweise elliptisch ist oder sogar, wenn sie nahezu rechteckig ist.

Bei der in Fig. 5 gezeigten Bauform ist eine Elektrodenanordnung von der in Fig. 2 gezeigten Art von

i) einem Weicheisenmaterial 74 oder irgendeinem anderen geeigneten magnetischen Material umgeben, um als Magnetfeldabschirmung zu wirken. Diese Bauform schützt die Plasmastrahlanordnung gegen eine Störung durch das magnetische Feld 24 aus der

-¹D MHD-Wicklung 26 und verbessert die Qualität des durch die Elektroden erzeugten Plasmastrahls. In ähnlicher Weise, wenn auch nicht dargestellt, kann die Abschirmung 74 an der Außenseite der zusätzlichen Feldwicklung 70 in Fig. 4 vorgesehen werden, um eine durch ein Magnetfeld abgeschirmte Plasmastrahlelektrode zu erhalten, die nichtsdestoweniger einen rotierenden Plasmastrahl erzeugt, um eine Plasmaexpansion hervorzurufen und eine Elektroden-Durchgangsöffnung von großem Durchmesser zu ermöglichen.

Die verschiedenen Arten der vorangehend beschriebenen Plasmastrahlelektroden lassen sich leicht in großen Mengen längs eines Kanals von der in Fig. 1 gezeigten Art zusammenbauen. In Fig. 6 ist beispiels-

weise eine Reihe von kathodischen Plasma- strahlelektroden 16 längs einer der MHD-Kanalwände 63 angeordnet und eine Reihe von anodischen Plasmastrahlelektroden gegenüberliegend den Kathoden in der entgegengesetzten Wand des MHD-Kanals 10.

Auch in diesem Falle verläuft die Hauptplasmaströmung 14 von links nach rechts, und das Magnetfeld geht durch das Zeichnungspapier, wie durch die Symbole 24 angegeben. Jede der Plasmastrahlelektroden ist elektrisch in der in Verbindung mit Fig. 3 beschriebenen Weise geschaltet mit der Ausnahme, daß eine Reihe von Dioden 76 die einzelnen Elektroden isoliert.

Die vorangehend beschriebene Bauform läßt sich zu einem MHD-System von 20 Megawatt zusammenbauen. Bei dieser Bauform sind 200 Plasmastrahlelektrodenanordnungen auf jeder Seite eines MHD-Kanals angeordnet, der eine Länge von 4 rn, eine Höhe von 0,7 m und 0,36 m in der Querrichtung hat, so daß der Kanal annähernd ein Volumen von einem Kubikmeter hat. Durch den Kanal wird dann ein Hauptplasmastrom mit etwa 0,9 Mach (845 m je Sekunde) in einem Magnetfeld geleitet, dessen Stärke 4 Tesla beträgt. Das Plasma hat eine solche Temperatur und einen solchen Inhalt, daß seine Gasleitfähigkeit 30 S je Meter beträgt, wodurch eine Leerlaufspannung an der Last von etwa 1200 Volt erhalten wird oder eine Leistungsdichte von etwa 20 Megawatt je Kubikmeter, wenn jede der Elektroden einen Strom von 85 Ampere führt. Im Besonderen kann jede wegen der Stabilität der Plasmastrahlen und des verbesserten Wirkungsgrades der vorangehend beschriebenen Elektroden Ströme bis zu 400 Ampere führen, so daß Erhöhungen in der Gasleitfähigkeit, der Gas-

geschwindigkeit oder der Magnetfeldstärke einen Generator von 100 Megawatt ohne Zunahme des Kanalvolumens ergeben können.

Wenn Emitter von dem erfindungsgemäßen Aufbau bei 300 Ampere mit Plasmastrahldichten von 400 Ampere je Quadratzentimeter betrieben wurden, betrug der Emitterverlust nur 0,00062 g je Stunde je Quadratzentimeter. Bei einer herkömmlichen Elektrode ergaben sich Verluste von etwa 0,2 g je Stunde je Quadratzentimeter für Stromdichten von nur 1 Ampere je Quadratzentimeter. Außerdem sind, da die vorangehend beschriebenen Plasmastrahl-Emitterelemente aus thoriertem Wolfram hergestellt wer-

den, diese ausreichend billig, so daß ihre geringe Verlustrate unbedeutend ist.

Innerhalb des Rahmens der Erfindung können durch den Fachmann verschiedene Abänderungen vorgenommen werden. Beispielsweise können statt der Herstellung des Emitters der Plasmastiahielektrode aus thoriertem Wolfram auch andere Materialien verwendet werden. Ferner können die in Verbindung mit dem MHD-Generatorsystem nach Fig. 6 angegebenen Abmessungen innerhalb des Rahmens der Erfindung in verschiedener Weise abgeändert werden und können die Elektrodenpaare gegebenenfalls in Reihe geschaltet werden.

cizu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

ti.f. Patentansprüche:

1. MHD-System mit einer Anoc-.nanordnung, einer Kathodenanordnung, einem Kanal zum Hindurchleiten eines Plasmastromes zwischen diesen, einer Einrichtung, durch welche ein magnetisches Feld quer zum Kanal erzeugt werden kann, und einem Lastkreis, der die Anodenanordnung und die Kathodenanordnung miteinander verbindet, wobei die Anoden- und die Kathodenanordnung jeweils einen Emitter und einen Kollektor, letzteren mit einer Durchgangsöffnung zur Verbindung des Emitters mit dem Kanal, eine Einrichtung zum Durchleiten von ionisierbarem Gas zwischen dem Kollektor und dem Emitter sowie eine Einrichtung, um den Kollektor während der Startphase gegenüber dem Emitter positiv zu laden, aufweisen dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor (28a) auch während des Betriebes des MHD-Systems positiv gegenüber dem Emitter (48a) geladen ist, und daß die Last (22) zwischen den Kollektor (28a) der Anodenanordnung und den Emitter (48c) der Kathodenanordnung geschaltet ist.

2. MHD-System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor (28a) der Anodenanordnung (18) gegenüber der Innenfläche des Kanals (10) zurückgesetzt in die Kanalwandung eingesetzt ist und dadurch vom Plasmastrom (14) einen Abstand aufweist.

3. MHD-System nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (70) zur Erzeugung eines Magnetfeldes in der Anodenanordnung (18), um eine Rotation des ionisierbaren Gases zu bewirken.

4. MHD-System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchgangsöffnung (62) groß gegenüber dem Massendurchsatz des durch diese öffnung hindurchströmenden Gases ist.

5. MHD-System nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine magnetische Abschirmung (74) um die Anodenanordnung herum.

6. MHD-System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Erzeugen eines Magnetfeldes in der Kathodenanordnung, um eine Rotation des ionisierbaren Gases zu bewirken.

7. MHD-System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchgangsöffnung im Kathodenkollektor groß gegenüber dem Massendurchsatz des durch diese öffnung hindurchströmenden Gases ist.

8. MHD-System nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine magnetische Abschirmung um die Kathodenanordnung herum vorgesehen ist.

9. MHD-System nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Anoden- und Kathodenanordnungen, welche durch die Last miteinander verbunden sind.

Die Erfindung betrifft ein magnetohydrodynamisches (MHD) System gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1

MHD-Generatoren erzeugen elektrische Energie durch Bewegung eines elektrisch leitenden Hochtemperaturgases durch ein Magnetfeld. Diese Bewegung induziert eine elektromotorische Kraft zwischen gegenüberliegenden Elektroden innerhalb des Generators.

ι ο Damit ein MHD-Generator elektrische Energie erzeugen kann, muß das Arbeitsgas ein guter elektrischer Leiter sein.

Verbrennungsgase haben oft keine ausreichend hohe Temperatur, um die erforderliche elektrische Leitfähigkeit zu ergeben. Es ist daher üblich, das Verbrennungsgas mit einem leicht ionisierbaren Stoff zu impfen, um die Gaselektronenkonzentration zu erhöhen und damit die elektrische Leitfähigkeit zu verbessern. Leider sind die besten Impfstoffe die Alkalime- -'() talle, die eine ziemlich hohe Reaktionsfähigkeit als Reduktionsmittel haben. Dies hat zusammen mit dem Hochtemperatur-Verbrennungsgas eine korrodierende Wirkung auf die heißen Elektroden. Ferner ist, wenn die Elektroden unter die Kondensationstempe- y> ratur. des Impfstoffes abgekühlt werden, ein Elektrodenschluß durch die Kondensation des Impfstoffes an den Elektroden- und Isolierflächen die Folge.

Es ist bereits bekannt, einen Plasmastrahl zum Einleiten eines Leitungszustandes zu einer gasgeschirm-JO ten Elektrode zu verwenden. Eine solche Bauform zum Einleiten des Leitungszustandes ist beispielsweise in der US-PS 3480805 beschrieben. Eine andere Bauform für den gleichen Zweck ist in der FR-PS 1 330 199 beschrieben. Bei diesen bekannten Bauforn men wird ein Strahl aus ionisiertem Gas zur Verbindung mit dem Hauptplasmastrom des MHD-Generators verwendet, um die Leistung des Generators einer Last zuzuführen.

Aus der genannten US-PS ist weiterhin bekannt, •4(i - der Anoden- und der Kathodenanordnung jeweils einen Kollektor mit einer Durchgangsöffiiung zur Verbindung mit dem Kanal des Hauptplasmastroms zuzuordnen und einen Emitter benachbart dem Kollektor anzuordnen,
4") - eine Einrichtung zum Durchleiten von ionisierbarem Gas zwischen dem Kollektor und dem Emitter anzuordnen, und
- eine Einrichtung vorzusehen, um den Kollektor

mit Bezug auf den Emitter positiv zu laden.
■in Eine positive Ladung des Kollektors mit Bezug auf den Emitter ist aber nur während einer Startphase vorgesehen, während beim normalen Betrieb des Generators bzw. MHD-Systems die Anode und die Kathode übliche Elektroden bilden. Somit besteht eine η starke Erosionsgefahr für die Anode, was deren häufigen Ersatz erfordert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem MHD-System die Erosion der Elektroden herabzusetzen, d. h. deren Lebensdauer zu erhöhen.
bo Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem MHD-System nach dem Anspruch 1 gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen MHD-System sind eine Anodenanordnung und eine Kathodenanordnung eines gegebenen Elektrodenpaares in den ge-„-, genüberliegenden Wänden des MHD-Generator-Hauptkanals angeordnet, so daß der Hauptplasmastrom zwischen diesen strömt. Die Last des MHD-Systems ist dann zwischen einem Emitter der Kathoden-