DE2554299A1

DE2554299A1 - MAGNETOHYDRODYNAMIC SYSTEM AND PROCEDURES FOR ITS OPERATION

Info

Publication number: DE2554299A1
Application number: DE19752554299
Authority: DE
Inventors: Milton Thomas Dooley
Original assignee: Reynolds Metals Co
Current assignee: Reynolds Metals Co
Priority date: 1974-12-12
Filing date: 1975-12-03
Publication date: 1976-06-16
Also published as: ZA756998B; AU8662675A; AU498299B2; CA1033394A; SE405922B; NL7514482A; FR2294582A1; SE7513884L; CH607861A5; JPS5177194A; GB1517760A

Description

PATENTANWÄLTE 89 Augsburg 22, den 2.12.1975PATENTANWÄLTE 89 Augsburg 22, December 2nd, 1975

_ . .__,... Rilkestraße 10 _. .__, ... Rilkestrasse 10

dr. ing. E. LIEBAUdr. ing. E. LIEBAU

Gl irro Al 1 Unser Zeichen R 9 87 δ Gl irro Al 1 Our symbol R 9 87 δ

. L.I ClD/λ LJ (Bei Rückantwort bitte angeben). LI ClD / λ LJ (please specify in response)

Ihr ZeichenYour sign

Reynolds Metals CompanyReynolds Metals Company

6601 West Broad Street6601 West Broad Street

Henrico County, Richmond Post OfficeHenrico County, Richmond Post Office

Virginia / USAVirginia / USA

Magnetohydrodynamische Anlage und Verfahren für deren BetriebMagnetohydrodynamic plant and process for its operation

Die Erfindung betrifft einen magnetohydrodynamischen Hall-Generator .The invention relates to a magnetohydrodynamic Hall generator .

Die Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben, die nicht maßstäblich gezeichnet sind, sondern nur die verschiedenen Bauelemente in ihrem Verhältnis zueinander zeigen sollen. In den Zeichnungen zeigen:The invention is described in more detail below in connection with the accompanying drawings, which are not to scale are drawn, but are only intended to show the various components in their relationship to one another. In the drawings show:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Hall-MHD-Generators; Fig. 2 eine graphische Darstellung, welche den zweidimen-1 shows a schematic view of a Hall MHD generator; Fig. 2 is a graph showing the two-dimensional

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Telefon -'C82"i 93077 Teiegr.-Adr.: ELPATENT — Augsburg Postscheckkonto München 86510-839 Deutsche Bank AG AugsBurg KO -NK 03 34Telephone -'C82 "i 93077 Teiegr.-Adr .: ELPATENT - Augsburg Postscheckkonto Munich 86510-839 Deutsche Bank AG AugsBurg KO -NK 03 34

Bankle;izrhi 72P 703 0]Bankle; izrhi 72P 703 0]

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sionalen Charakter des dargestellten Hall-MHD-Generators zeigt;shows the sional character of the Hall MHD generator shown;

Fig. 3 eine schematische Darstellung des dreidimensionalen Charakters eines Faraday-Generators;3 shows a schematic representation of the three-dimensional character of a Faraday generator;

Fig. 4 eine schaubildliche Ansicht einer einer Anzahl von kurzgeschlossenen Windungen, die den Hall-Kanal von Fig. 1 bilden;Figure 4 is a perspective view of one of a number of shorted turns that make up the Hall channel of Fig. 1;

Fig. 5 eine Ansicht im Schnitt nach der Linie 5-5 in Fig. 4;Figure 5 is a sectional view taken along line 5-5 in Figure 4;

Fig. 6a eine schematische Darstellung einer rotierenden Lichtbogenelektrode, gesehen vom Inneren eines MHD-Kanals;6a is a schematic representation of a rotating arc electrode, seen from inside a MHD channel;

Fig. 6b eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform der in Fig. 6a dargestellten Anordnung;6b shows a schematic representation of another embodiment the arrangement shown in Figure 6a;

Fig. 6c eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Anordnung nach Fig. 6a;6c shows a schematic representation of a further embodiment the arrangement according to FIG. 6a;

Fig. 7 eine schematischeDarstellung der Schaltungsanordnungen für die Elektroden des rotierenden Lichtbogens in einem Hall-Generator;Fig. 7 is a schematic representation of the circuit arrangements for the electrodes of the rotating arc in a Hall generator;

Fig. 8 eine schematische Darstellung eines Schrägwand-Hall-Generators. 8 shows a schematic representation of a sloping wall Hall generator.

Wie in Fig. 1 gezeigt, wird ein Hall-MHD-Generator 10 durch eine geschichtete Reihe von "kurzgeschlossenen Windungen" 12, die nachfolgend näher beschrieben werden, und Isolierabschnitte 14 gebildet, die so angeordnet sind, daß dasAs shown in Fig. 1, a Hall MHD generator 10 is formed by a layered series of "shorted turns" 12, which will be described in more detail below, and insulating portions 14 are formed which are arranged so that the

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durch einen Pfeil 16 dargestellte Gas sich in dem Kanal 18 expandiert, wenn es sich, gesehen in Fig. 1, nach rechts bewegt. Der Generator 10 weist ferner eine Spule (nicht gezeigt) zur Erzeugung eines Magnetfeldes in der Richtung des Pfeils B auf. Auf diese Weise hat das durch den Kanal 18 innerhalb des Magnetfeldes B strömende Gas die Erzeugung einer EMK über die Länge des Kanals zur Folge, welche EMK für den Antrieb einer Last verwendet werden kann, wie sie bei 20 zwischen die kurzgeschlossene Windung 12a und die kurzgeschlossene Windung 12b in Fig. 1 geschaltet ist.Gas represented by an arrow 16 is in the channel 18 expands as it moves to the right as seen in FIG. 1. The generator 10 also has a coil (not shown) to generate a magnetic field in the direction of arrow B on. That way it got through Gas flowing through channel 18 within magnetic field B results in the generation of an EMF over the length of the channel, which EMF can be used to drive a load, as shown at 20 between the short-circuited winding 12a and the short-circuited turn 12b in FIG. 1 is connected.

Der vorangehend beschriebene Hall-Generator kann als "zweidimensional" bezeichnet werden, d.h. es befinden sich, wie in Fig. 2 dargestellt, der Plasmastrom, der Magnetfluß B und die EMK alle in der gleichen Ebene im Gegensatz zu der in Fig. 3 gegebenen Darstellung eines Faraday-Generators, bei welchem der Magnetfluß in einer dritten Dimension (ζ-Koordinate) statt in den X-Y-Koordinaten, nach welchen die Plasmaströmung und die EMK stattfinden. Auf diese Weise wird, wie nachfolgend näher beschrieben wird, das eigene Magnetfeld des Hall-Generators dazu verwendet, daß der Elektroden-Lichtbogen um seine Kanalöffnung rotiert.The Hall generator described above can be called "two-dimensional" are designated, that is, as shown in Fig. 2, the plasma flow, the magnetic flux B are and the emf all in the same plane in contrast to the representation of a Faraday generator given in Fig. 3, at which the magnetic flux in a third dimension (ζ coordinate) instead of in the X-Y coordinates, according to which the plasma flow and the EMF take place. In this way, as will be described in more detail below, your own Magnetic field of the Hall generator used to rotate the electrode arc around its channel opening.

Fig. 4 zeigt eine der kurzgeschlossenen Windungen 12, die aus einem Hall-Generator von der bei 10 dargestellten Art ausgebaut worden ist. Diese kurzgeschlossene Windung ist aus Kupfer und weist beispielsweise eine Kanalöffnung 22Fig. 4 shows one of the short-circuited turns 12, which are produced from a Hall generator of the type shown at 10 has been expanded. This short-circuited turn is made of copper and has a channel opening 22, for example

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von etwa 0,09 m (etwa 1 Quadratfuß) und jede ihrer Seiten2
about 0.09 m (about 1 square foot) and each of its sides

2 24, 26, 28 und 30 hat einen Querschnitt von etwa 6,45 cm (etwa 1 Quadratzoll). Der ganze Kanal wird durch 11 fortschreitend größer werdende Kupferabschnitte 12 gebildet, die durch keramische Abschnitte 14 voneinander getrennt sind, wie in Fig. 1 dargestellt.2 24, 26, 28 and 30 is approximately 6.45 cm in cross-section (about 1 square inch). The entire channel is formed by 11 progressively larger copper sections 12, which are separated from one another by ceramic sections 14, as shown in FIG. 1.

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Zumindest einer der Schenkel 26 des Abschnitts 12a ist ausgehöhlt, wie in Fig. 5 gezeigt, um Kanäle 32 für die Strömung eines Kühlmittels zu bilden, das durch nicht gezeigte Mittel in diese eingeleitet und aus diesen abgeleitet wird. Der Schenkel 26 besitzt ferner ein Emitterelement 34 und eine Spannungsquelle 36, die zwischen den Emitter und einem Kanalelement 38 geschaltet ist, das als Kollektor wirkt. Der Kollektor 38 wird hierbei mit Bezug auf den Emitter 34 positiv gehalten und eine Gasleitung 40 ist benachbart dem Emitter angeordnet, um Argon, Stickstoff, Helium od. dgl. über das Emitterende 42 zu blasen. Auf diese Weise wird, wenn das Gas zwischen dem Kollektor und dem Emitter hindurchtritt, durch die Spannungsquelle 36 das Gas zur Bildung eines Plasmastrahls ionisiert. At least one of the legs 26 of the section 12a is hollowed out, as shown in FIG. 5, to provide channels 32 for the To form the flow of a coolant, which is introduced into and out of these by means not shown is derived. The leg 26 also has an emitter element 34 and a voltage source 36, which between the emitter and a channel element 38 is connected, which acts as a collector. The collector 38 is here with With respect to the emitter 34 held positive and a gas line 40 is arranged adjacent the emitter to supply argon, To blow nitrogen, helium or the like over the emitter end 42. This way, when the gas is between the Collector and the emitter passes through the voltage source 36 ionizes the gas to form a plasma beam.

Die vorangehend beschriebene Elektrodenanordnung wird in eine gut isolierte Kanalwand 44 eingebaut und die Aussenwand wird durch eine Schicht, wie bei 46 gezeigt, ebenfalls isoliert, die sich längs des ganzen Kanals einschließlich de^fcurzgeschlossenen Windung 12b am anderen Ende des Kanals erstreckt, die etwas größer als die Windung 12a ist, jedoch sonst in ähnlicher Weise gestaltet ist. Die Last 20 ist jedoch zwischen den Emitter an einer der Elektroden, beispielsweise im Abschnitt 12a, und den Kollektor an einer anderen Elektrode beispielsweise im Abschnitt 12b, geschaltet, wie in Fig. 7 dargestellt, die nachfolgend näher beschrieben wird. In diesem Zusammenhang ist zu erwähnen, daß die Spannung über die Last unter anderem dadurch gewählt werden kann, daß sie parallel zu einer gewählten Zahl der kurzgeschlossenen Windungen 12 geschaltet wird.The electrode arrangement described above is installed in a well-insulated channel wall 44 and the outer wall is also insulated by a layer as shown at 46 which extends along the entire length of the channel inclusive The short-circuited turn 12b at the other end of the channel extends, which is slightly larger than the turn 12a, but is otherwise designed in a similar manner. However, the load 20 is between the emitter on one of the electrodes, for example in section 12a, and the collector on one another electrode, for example in section 12b, connected as shown in Fig. 7, which is described in more detail below will. In this context it should be mentioned that the voltage across the load is selected by this, among other things can be that it is connected in parallel to a selected number of the short-circuited turns 12.

Im Betrieb tritt, wenn der Hauptplasmastrom 16 durch den Kanal 18 fließt, dieser mit dem magnetischen Fluß B in Wechselwirkung, so daß eine Potentialdifferenz zwischen allen Punkten in verschiedenen Abständen über die Länge des KanalsIn operation, when the main plasma stream 16 flows through the channel 18, it occurs with the magnetic flux B in Interaction so that there is a potential difference between all points at different distances along the length of the channel

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18 besteht, und wenn das Gas durch die Gasleitung 40 an den Emitterenden 42 vorbeigeblasen wird, wird es ionisiert, um Plasmastrahlen zu bilden, welche als Elektroden wirken und eine Stromzufuhr zur Last 20 ermöglichen.18 exists, and when the gas is blown through the gas line 40 past the emitter ends 42, it is ionized, to form plasma jets which act as electrodes and enable power to be supplied to the load 20.

Gleichzeitig wird ein Lichtbogen 50 zwischen jedem Emitterende 42 und dem Kollektor 38 in Fig. 5 gezogen. Dieser Lichtbogen wird jedoch durch das Magnetfeld des Generators so beeinflußt, daß der Lichtbogen 50 um die Öffnung 52 im Kollektor 38 herum rotiert, wie durch den Pfeil 54 dargestellt. Infolgedessen wird, wenn das Gas durch den rotierenden Lichtbogen hindurchtritt, dieses erhitzt, so daß es sich stark ausdehnt und aus der Düsenöffnung mit hoher Geschwindigkeit austritt, so daß es besser in der Lage ist, die Hauptstrom-Grenzschicht zu durchdringen, oder, anders gesehen, der rotierende Lichtbogen ermöglicht es, die Düsenöffnung 52 wesentlich größer zu machen, ohne die Plasmastrahlgeschwindigkeit oder die Fähigkeit des Strahls, die Grenzschicht zu durchdringen, herabzusetzen, so daß ein erhöhter Leitungsquerschnitt der Elektrode erhalten wird.Simultaneously, an arc 50 is drawn between each emitter end 42 and the collector 38 in FIG. This However, the arc is so influenced by the magnetic field of the generator that the arc 50 around the opening 52 rotates around in collector 38, as shown by arrow 54. As a result, when the gas passes through the rotating arc passes through, this heated so that it expands strongly and out of the nozzle opening with emerges at high speed so that it is better able to penetrate the main flow boundary layer, or, viewed differently, the rotating arc allows the nozzle opening 52 to be made much larger without reduce the plasma jet velocity or the ability of the jet to penetrate the boundary layer, so that an increased line cross-section of the electrode is obtained.

Darüber hinaus wurde festgestellt, daß der rotierende Lichtbogen dazu beiträgt, daß der heisse Plasmastrahl die kalte Grenzschicht durchbrechen kann, welche an der Innenwand des Hauptkanals anliegt. Der rotierende Lichtbogen verbessert daher die Fähigkeit zur Leistungsentnahme durch Herabsetzung der Spannungsabfälle, die sonst auftreten würden. Hierzu kommt noch, daß die zusätzliche Energie, die dem Plasmastrahl mitgeteilt wird, dazu dient, das Leistungsniveau der Hauptkanal-Verbrennungsgase 16 zu erhöhen, um den Gesamtwirkungsgrad des Generators noch weiter zu verbessern.In addition, it was found that the rotating arc helps the hot plasma jet to die cold boundary layer can break through, which rests on the inner wall of the main channel. The rotating arc therefore improves the ability to draw power by reducing the voltage drops that would otherwise occur would. In addition, the additional energy that is communicated to the plasma beam is used to Increase the power level of the main duct combustion gases 16 to further increase the overall efficiency of the generator to improve.

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Die Ausführungsform nach Fig. 5 hat einen kreisförmigen Düsenquerschnitt 52, wie in Fig. 6a dargestellt. Der rotierende Lichtbogen der Anlage ermöglicht es jedoch, der Düsenöffnung 52 andere Formen zu geben, beispielsweise die in Fig. 6b gezeigte elliptische Form oder die rennbahnartige Form der Fig. 6c, die es ermöglicht, fast die ganze Seite eines gegebenen Abschnitts 12 als Elektronensammelbereich zu verwenden.The embodiment of Fig. 5 has a circular one Nozzle cross-section 52, as shown in Fig. 6a. However, the rotating arc of the system makes it possible to give the nozzle opening 52 other shapes, for example the elliptical shape shown in FIG. 6b or the racetrack-like shape of Fig. 6c, which makes it possible to almost the whole side of a given portion 12 as an electron collecting area to use.

Wie erwähnt, gibt Fig. 7 eine schematische Darstellung, in welcher Weise die Elektrodenabschnitte 12a und 12b zweckmässig in den Stromkreis der Last geschaltet werden können. Ausserdem zeigt Fig. 7 eine weitere Anwendung der Erfindung, bei v/elcher die kurzgeschlossenen Windungsabschnitte 12a und 12b je zwei Düsenquerschnitte 52 und 56 haben, so daß jeder kurzgeschlossene Windungsabschnitt zwei Plasmastrahlelektroden zur gleichzeitigen Speisung von zwei Lasten 20 und 58 aufnehmen kann. Gegebenenfalls kann, wie erwähnt, eine der Lasten 20 und 58 (oder eine weitere Last) dadurch gespeist werden, daß sie zwischen Elektroden geschaltet wird, die in anderen kurzgeschlossenen Abschnitten 12 angeordnet sind, und als weitere Alternative können die vorangehend beschriebenen Elektrodenstrukturen in einem Schrägwand-Hall-Generatorkanal, wie in Fig. 8 schematisch dargestellt, angeordnet werden.As mentioned, Fig. 7 gives a schematic representation of the manner in which the electrode sections 12a and 12b can be conveniently switched into the circuit of the load. In addition, FIG. 7 shows a further application of the invention, at v / elcher the short-circuited turn sections 12a and 12b each have two nozzle cross-sections 52 and 56 have so that each short-circuited winding section two plasma jet electrodes for simultaneous feeding can accommodate two loads 20 and 58. If necessary, as mentioned, one of the loads 20 and 58 (or a further load) are fed by being connected between electrodes that are short-circuited in others Sections 12 are arranged, and as a further alternative, the electrode structures described above in a sloping wall Hall generator duct, as shown schematically in FIG. 8.

Die Erfindung kann innerhalb ihres Rahmens natürlich verschiedene weitere Abänderungen erfahren. Beispielsweise sind bei der bevorzugten Ausführungsform die Plasmastrahlelektroden als in den waagrechten Gliedern der kurzgeschlossenen Windungen 12 angeordnet dargestellt. Sie können auch in den vertikalen Schenkeln untergebracht werden und dazu ein horizontales Magnetfeld B statt ein vertikales Feld, wie in Fig. 1 dargestellt, verwendet werden.The invention can of course be various within its scope learn more changes. For example, in the preferred embodiment, the plasma jet electrodes are shown as being arranged in the horizontal members of the short-circuited turns 12. You can can also be accommodated in the vertical legs and a horizontal magnetic field B instead of a vertical one Field as shown in Fig. 1 can be used.

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Claims

Magnetohydrodynamic system with a device for guiding a hot fluid through a channel from Hal- ^T YP / characterized by a plurality of electrically conductive sections (12) which are separated from one another by electrically insulating sections (14), and a device for applying a magnetic field (B) to the mentioned channel (18), a plasma jet electrode (50) which is arranged in one of the conductive sections (12) and an opening (52), an emitter (34), a collector (38) and a device ( 40) for conducting an ionizable gas between the emitter and collector and out of the opening (52), and a circuit element (36) by which the emitter (34) is electrically biased with respect to the collector (38) and an arc is drawn between the emitter and the collector which can rotate around said opening (52) by the influence of said magnetic field (B).

2. System according to claim 1, characterized by a second electrode at a distance from the plasma jet electrode longitudinally of the channel (18) and a load (20) in the circuit between the electrodes.

3. Plant according to claim 1, characterized by a second such plasma jet electrode in a second conductive one

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Section (12b) of said channel (18) and a load (20) in the circuit between the two.

4. Plant according to claim 3, characterized in that the load circuit a device for connecting the Collector (38) of one plasma jet electrode with the emitter (34) of the other plasma jet electrode contains.

5. Plant according to claim 1, characterized by a second Electrode at a distance over the length of the channel (18) and a circuit that contains the aforementioned plasma jet electrode with the second electrode connects a third electrode which is in the one conductive section is arranged, and a fourth electrode in the circuit with the third electrode.

6. Plant according to claim 5, characterized in that all electrodes mentioned are plasma jet electrodes.

7. Plant according to claim 5 or 6, characterized in that the second and the fourth electrode in one second conductive portion are arranged at a distance along said channel.

8. Plant according to the preceding claims, characterized in that that the aforementioned conductive section is a

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Has cooling device (32).

9. Plant according to the preceding claims, characterized in that that the collector (38) is electrically positively biased with respect to the emitter (34).

10. Plant according to the preceding claims, characterized in that that the mentioned opening (52a) is essentially circular.

11. Plant according to claims 1-9, characterized in that said opening (52c) is substantially is elliptical.

12. Plant according to claims 1-9, characterized in that said opening (52d) is essentially is rectangular with rounded edges.

13. Plant according to the preceding claims, characterized in that that the Hall generator mentioned is a sloping wall generator.

14. Method for the operation of a magnetohydrodynamic generator, in which the arc is a Plasma jet electrode is caused to rotate around an opening thereof, characterized in that

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zxiiti rotating the arc the magnetic field of the MHD generator is used.

15. The method according to claim 14, characterized in that that the generator is a Hall generator and the direction of the plasma jet in the plane of the magnetic field is placed.

16. The method according to claim 15, characterized in that the plasma jet electrode has an emitter and a collector and the collector with respect to the emitter is electrically biased positively.

17. The method according to claim 16, characterized in that the generator has a second such plasma jet electrode at a distance along said channel and a load between the emitters of the one plasma jet electrode and the collector of the other plasma electrode is switched.

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