DE2625073A1

DE2625073A1 - Gasfoermige elektrode fuer magnetohydrodynamische generatoren und verfahren zum bilden der gasfoermigen elektrode

Info

Publication number: DE2625073A1
Application number: DE19762625073
Authority: DE
Inventors: Milton Thomas Dooley
Original assignee: Reynolds Metals Co
Current assignee: Reynolds Metals Co
Priority date: 1975-06-06
Filing date: 1976-06-04
Publication date: 1976-12-23
Also published as: BE842548A; GB1535975A; CA1058675A; FR2313800A1; JPS51150291A; SE7606388L; NL7606187A; ZA762914B; ES448552A1; DK249476A; CH613819A5

Description

PATENTANWÄLTE 89 Augsburg 22, den 5.6.1976

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dr. ing. E. LIEBAU

niPI IMP f5 I IFTRAI I Unser Zeichen R 10073

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Ihr Zeichen

Reynolds Metals Company

6601 West Broad Street

Henrico County

Richmond Post Office, Virginia 23261 / USA

Gasförmige Elektrode für magnetohydrodynamische
Generatoren und Verfahren zum Bilden der gasförmigen Elektrode

Die rarliegende Erfindung bezieht sich auf eine gasförmige Elektrode für magnetohydrodynamische Generatoren und auf ein Verfahren zum Bilden der gasförmigenElektrode.

Magnetohydrodynamische Generatoren erzeugen elektrische Energie durch die Bewegung eines elektrisch leitenden Hochtemperaturgases durch ein Magnetfeld. Diese Bewegung

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induziert eine elektromotorische Kraft zwischen entgegengesetzten Elektroden innerhalb des Generators. Die rasche Bewegung der Hochtemperaturgase führt jedoch zur ernsthaften Erosion der Elektroden, wie auch der Fall mit inneren elektrischen Bögen ist, welche den Hauptplasmastrom des magnetohydrodynamischen Generators mit einer Belastung oder einem Verbraucher verbindet. Manche magnetohydrodynamische Generatoren arbeiten ferner mit Kohlenschlacke, welche auf der Innenoberfläche kondensiert ist, so daß ein großer Spannungsabfall und somit Energieverlust erfolgt, während der Strom des magnetohydrodynamischen Generators durch die Kohlenschlacke hindurchgeleitet wird.

Erfindungsgemäß wird der Bogen einer Elektrode veranlaßt, sich von einer Stelle zur anderen innerhalb eines Hohlraumes entlang einer oder mehrerer öffnungen in der Elektrode zu bewegen. Dies bewirkt, daß ionisiertes Gas den gesamten Hohlraum füllt und in den Hauptkanal des Generators zwangsläufig hineingeführt wird, um als gasförmige Elektrode zu fungieren.

Erfindungsgemäß wird eine verbesserte gasförmige Elektrode unter Verwendung eines elektrisch leitenden Gases geschaffen, welche auch sogar dann nicht einem Verschleiß ausgesetzt ist, wenn si·, hohen Generatorstromdichten unterworfen ist.

Die bevorzugten Merkmale und Vorteile der Erfindung werden von der nachfolgenden näheren Beschreibung bevorzugter erfindungsgemäßer Ausfuhrungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ersichtlich, in welchen gleiche Bezugszeichen die gleichen Teile in sämtlichen Ansichten bezeichnen. Die Zeichnungen sind

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nicht notwendig maßstabgerecht, wobei stattdessen das Schwergewicht auf der Darstellung der Grundsätze der Erfindung liegt; darin zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines magnetohydrodynamischen Generators der Faradayart mit segmentartigen Elektroden;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Elektrode;

Fig. 2a eine ähnliche Ansicht einer Alternativausführungsform eines Teiles der in Fig. 2 dargestellten Konstruktion;

Fig. 3 eine vergrösserte Querschnittsansieht der Fig. entlang der Linie 3-3;

Fig. 4 eine Querschnittsansicht einer Alternativausführungsform der in Fig. 2 und 3 dargestellten Elektrode;

Fig. 5 eine schematische Ansicht einer Elektrode ähnlich jener der Fig. 2, wobei jedoch eine Wechselstromspule gezeigt ist, die um den Elektrodenkörper in der Ebene des Magnetfußes des Generators herumgewickelt ist;

Fig. 6 eine vergrösserte Querschnittsansicht der Fig. entlang der Linie 6-6;

Fig. 7 eine schematische Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Elektrode und

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Fig. 8 eine Bodenansicht der Elektrode der Fig. 7 entlang der Linie 8-8.

Ein herkömmlicher magnetohydrodynamischer Generator weist eine Leitung 10 (Fig. 1) auf, welche einen Hauptstrom eines elektrisch leitenden Hochtemperaturplasmas an einem Einlaßende aufnimmt, wie mit einem Pfeil 12 gezeigt. Durch die Auswahl der Form und des Auslaßdruckes der Leitung 10 kann das Plasma veranlaßt werden, sich durch die Leitung hindurch mit einer im wesentlichen konstanten Geschwindigkeit an einer oder mehreren Elektroden vorbei zu bewegen, wie z.B. an den schematisch gezeigten segmentartigen Elektroden 14 und 16 vorbei, welche mit einer Belastung oder einem Verbraucher 20 in einen Schaltkreis 18 gebracht sind.

Ein geeigneter Magnetfluß, der durch einen Pfeil B dargestellt ist, ist an der Leitung in einer Richtung angelegt, welche senkrecht zur Plasmaströmung 12 und zur elektromotorischen Kraft ist, welche zwischen den Elektroden 14 und 16 zu erzeugen ist.

Die in Fig. 2 gezeigte Elektrode weist ein zylindrisches Elektrodenelement 22 auf, das innerhalb eines zylindrischen Hohlraumes 24 eines umgebenden, länglichen Elektrodenelementes 26 gleichmässig in Abstand angeordnet ist. Die obere Oberfläche des Elementes 26 hat einen mittig angeordneten Kanal 28, um die Ausströmung des Elektrodenplasmas zu ermöglichen, wie nachfolgend beschrieben.

Ein Gaseinspritzhauptrohr 30 (Fig. 3) erstreckt sich inner-

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halb des Elementes 26 und liefert ein geeignetes Gas - herkömmlich ein inertes Gas wie z.B. Argon - durch eine Leitung 32 in den Hohlraum 24, v;o es um das mittlere Elektrodenelement 22 herum, aus dem Kanal 28 und in den Generator selbst hinein strömt. Bei dieser Ausführungsform ist das mittlere Elektrodenelement 22 in Bezug auf das Elektrodenelement 26 durch eine Batterie 34 positiv vorgespannt. Auf diese Art und Weise ist der Bogen 36 zwischen den beiden Elektrodenelementen 22 und 26 gespannt.

Das Hauptmagnetfeld B des Generators wirkt mit dem Bogen 36 zusammen, um den Bogen in einer kreisförmigen Bahn um den Hohlraum 24 herum anzutreiben, wie durch den Pfeil 38 in Fig. 3 gezeigt. Der Bogen ionisiert das Gas, das durch den Hohlraum 24 hindurch zwischen den Elektrodenelementen 22 und 26 strömt, vor der Strömung des resultierenden Plasmas aus dem Kanal 28 hinaus und in die Hauptleitung des Generators hinein, wodurch eine gasförmige Elektrode gebildet wird.

Ein bedeutsames Merkmal der obigen Konstruktion ist ihr "Kathodenfleck"-Phänomen. D.h. die natürliche "Lauf-Tendenz" des Bogens 36 bewirkt, daß er sich von einer Stelle zu einer anderen innerhalb des Hohlraumes zwischen den beiden Elektroden 22 und 26 kontinuierlich bewegt, insbesondere :dann, wenn das mittlere Elektrodenelement 22 aus Kupfer hergestellt ist. In dieser Hinsicht oszilliert oder schwingt manchmal der Bogen oder "läuft" hin und her innerhalb des Hohlraumes 24 von einem Ende zum anderen. Zu anderen Zeiten springt einfach der Bogen herum, während ein anderes Mal mehrfache Bögen an verschiedenen Stellen entlang der zylindrischen Elektroden gebildet sind.

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In jedem Fall jedoch wirkt der Kathodenfleck selbst als Mittel, wodurch bewirkt wird, daß sich der Bogen von einer Stelle zu einer anderen entlang der Elektroden bewegt. Wie erwähnt, bewirkt auch die Zusammenwirkung zwischen den Bogen und dem Hauptmagnetfeld "B", daß sich der Bogen um die mittlere Elektrode 22 herumdreht.

Bei der dargestellten Ausfuhrungsform ist das äussere Elektrodenelement 26 mit Leitungen 40 für ein Kühlmittel versehen, um die Temperatur der Konstruktion herabzusetzen. Diese Maßnahme ist herkömmlich und wird daher nicht näher beschrieben.

Obwohl die besten Ergebnisse erzielt wurden, wenn die mittlere Elektrode, wie oben erwähnt, positiv vorgespannt ist,kann die Vorrichtung auch dann betrieben werden, wenn der Bogen mittels einer Wechselstromquelle, wie bei 42 gezeigt, hergestellt wird. Auf ähnliche Weise kann der Kanal 28 durch eine Reihe von öffnungen oder Kanälen ersetzt werden, wie in Fig. 2a gezeigt. Das durch den Kanal 30 eingeführte Gas kann ferner mit Materialien besäht werden, welche ein niedriges Ionisierungspotential haben, um die Leistung des erhaltenen Plasmas zu verbessern. D.h. das Gas kann mit den Dämpfen von Keimmaterial ergänzt werden, wie z.B. Natrium, Kalium, Caesium oder Verbindungen davon. Zusätzlich kann die Elektroden— leistung weiter verbessert werden, indem sie mit einem verbrennbaren Gasgemisch betrieben wird, so daß die gasförmige Elektrode aus einem Verbrennungssystem hergestellt wird, welches durch den elektrischen Bogen 36 vermehrt ist. Bei Verwendung dieser Abwandlung ist das erhaltene Plasma heisser und leitender und macht somit eine wirksamere gasförmige Elektrode aus.

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Fig. 4 zeigt eine Alternativausführungsform der Konstruktion der Fig. 2 und 3. Ein Gaseinspritzrohr 48 ist dabei in der Nähe des Bodens des Hohlraumes 24 so angeordnet, daß das Gas in den Hohlraum tangential aus einer Leitung 50 eintritt, während das Plasma durch einen weiteren tangentialen Schlitz ,52 austritt. Das innere Elektrodenelement 22 ist auch innerhalb des Hohlraumes exzentrisch angeordnet, so daß das Verhältnis der grösseren zur kleineren Entfernung a/b nicht mehr als 20/1 oder weniger als 1,5/1 und vorzugsweise etwa 6/1 ist. Es wurde auch gefunden, daß die Elektrode gut arbeitet, wenn die Breite oder Weite des Schlitzes 52 (entsprechend dem Schlitz 28 in Fig. 2) zwischen der zweifachen und zehnfachen Weite oder Breite der Dimension "b" ist. Dies ist jedoch eine Funktion vieler Veränderlicher und kann ohne unerwünschte Nachwirkungen wesentlich abgewandelt werden.

Wie in Fig. 5 und 6 gezeigt, kann die Bewegung des Bogens innerhalb des Hohlraumes 24 ferner durch die Verwendung einer Spule 56 gesteuert werden, welche durch eine Wechselstromquelle 58 mit Strom versorgt bzw. erregt wird. Der Wechselstrom bildet ein Wechselmagnetfeld, welches den Bogen 36 mit der Wechselstromfrequenz in einer Schwenkbewegung entlang der Richtung des Magmetfeldes B des magnetohydrodynamischen Generators treibt. Das innere Elektrodenelement 22 der Fig. 6 ist ferner gezeigt, daß es eine Kühlleitung 58 aufweist, welche, obwohl nicht in der Zeichnung gezeigt, ebenso den anderen erfindungsgemäßen Ausführungsformen beigefügt werden kann.

Bei einer weiteren Ausführungsform (Fig. 7) sind zwei entgegengesetzte schienenartige Elektrodenelemente 60 und 62 innerhalb eines einzigen Hohlraumes 64 (welcher de» Hohlraum 24 entspricht) angeordnet und durch eine Wechselstromquel-

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le 26 mit Strom versorgt bzw. erregt, so daß ein Bogen 68 zwischen den Elektroden 60 und 62 gebildet wird. Eine Gleichstromspule 70 ist um die Elektrodenelemente 60 bzw. 62 herum gewickelt und innerhalb eines Isolierteiles angeordnet. Das Gleichstromfeld, welches durch die Erregung der Spule 70 durch eine Batterie 74 gebildet ist, arbeitet mit dem Hintergrundmagnetfeld "B" des Systems des magnetohydrodynamischen Generators zusammen, um zu bewirken, daß der Bogen 68 hin und zurück entlang der schienenartigen Elektroden 60 und 62 oszilliert oder . schwingt. Wenn somit Gas in den Hohlraum 64 aus einem Einlaßrohr 76 durch eine Vielzahl von Eintrittslöchern 78 eingeführt wird, so wird das Gas durch den Bogen ionisiert, wobei sein "Lauf" bewirkt, daß die Kammer 64 mit Plasma vollständig gefüllt wird, welches dann durch den Kanal 28 in den Innenraum des magnetohydrodynamischen Generators austritt.

Während die Erfindung oben unter Bezugnahme auf einige

bevorzugte Ausführungsformen derselben beschrieben und dargestellt wurde, versteht es sich, daß verschiedene Abwandlungen sowohl in Bezug auf die Form als auch in Bezug auf das Detail vom Fachmann durchgeführt werden können. So z.B. können verschiedene Arten von Kühlmittel verwendet werden und Materialien und Gase eingesetzt werden, welche sich von den oben beschriebenen unterscheiden. In vielen Fällen können darüber hinaus die dargestellten Polaritäten umgekehrt werden, ohne die erfindungsgemäßen Grundsätze zu beeinträchtigen. Es ist ebenso ersichtlich, daß die oben beschriebene Konstruktion viele zusätzlichen Vorteile aufweist. So z.B. verhindert die Hochtemperatur der gasförmigen Elektrode die Kohlenschlakke daran, sich an der Elektrodenöffnung zu kondensieren

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und hält eine hochleitende elektrische Bahn für den Verbraucherstrom aufrecht.

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Claims

Patentansprüche

( 1. »Verfahren zum Bilden einer gasförmigen Elektrode für einen magnetohydrodynamischen Generator, in-dem ein Lichtbogen zwischen einem ersten und einem zweiten Elektrodenelement gezündet bzw. gebildet wird, um ein dazwischenströmendes Gas zu ionisieren, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtbogen veranlaßt wird, sich von einer Stelle zu einer anderen entlang der Oberfläche von zumindest einem der Elektrodenelemente bewegt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtbogen veranlaßt wird, sich um das andere der besagten Elektrodenelemente herum zu drehen.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtbogen veranlaßt wird, entlang der Oberfläche des besagten Elektrodenelements mit einer gesteuerten oder geregelten Geschwindigkeit durch eine Wechselstromeinrichtung zu oszilieren oder zu schwingen.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtbogen von einer Stelle zur anderen entlang der Oberfläche von zumindest einem der Elektroden

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mittels eines Kathodenflecks bewegt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein vefbrennbares Gas zumindest einen Teil des Gases bildet, welches zwischen das erste und das zweite Elektrodenelement geleitet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Keimmaterial dem Gas zugegeben wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Keiminaterial einen Dampf aufweist.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Keimmaterial Natrium, Kalium oder Caesium oder eine Verbindung davon ist.
9. Elektrodenanordnung für einen magnetohydrodynamischen Generator, gekennzeichnet durch ein längliches erstes Elektrodenelement, welches von einem zweiten Elektrodenelement durch einen Raum für den Durchtritt des Gases getrennt ist, das einen Ausgang in die Plasmastromleitung des Generators hat, wobei eine Einrichtung zum Zünden eines Lichtbogens zwischen dem ersten und zweiten Elektrodenelement sowie eine Einrichtung

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zum Bewegen des Lichtbogens von einer Stelle zu einer anderen entlang des länglichen Elektrodenelements vorgesehen ist.
10. Elektrodenanordnung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine Einrichtung, durch welche bewirkt wird, daß der Lichtbogen sich um die besagte zweite Elektrode dreht.
11. Elektrodenanordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die den Lichtbogen bewegende Einrichtung einen Kathodenfleck aufweist.
12. Elektrodenanordnung nach Anspruch 9 oder 10, gekennzeichnet durch eine Einrichtung, durch welche der Lichtbogen entlang der länglichen Elektrode mit einer vorbestimmten Frequenz herumschwingt.
13. Elektrodenanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Herbeiführung einer Schwingung des Lichtbogens eine Wechselstromspule aufweist.
14. Elektrodenanordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Elektrodenelement einen Hohlraum aufweist und daß das zweite Elektrodenelement in dieses Hohlraum angeordnet ist.

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15. Elektrodenanordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Elektrodenelement innerhalb des besagten Hohlraumes mittig angeordnet ist.
16. Elektrodenanordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Elektrodenelement innerhalb eines Hohlraumes in der ersten Elektrode exzentrisch angeordnet ist, so daß der Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Elektrodenelement an einer ersten Stelle größer als der Abstand an einer zweiten Stelle ist.
17. Elektrodenanordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen dem ersten und dem zweiten Abstand zwischen 1,5 und 20 liegt.
18. Elektrodenanordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das oben erwähnte Verhältnis etwa 6 ist.
19. Elektrodenanordnung nach Anspruch 14 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum im wesentlichen zylindrisch ist.
20. Elektrodenanordnung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Binlaß für Gas für den Eintritt in den Hohlraum im wesentlichen tangential zur zylindri-

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sehen Wand desselben verläufl
21. Elektrodenanordnung nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß der besagte Ausgang so angeordnet ist, daß das Gas den Hohlraum im wesentlichen tangential zur Wand des Zylinders verläßt.
22. Elektrodenanordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß der besagte Ausgang einen länglichen Schlitz aufweist, der mit dem Hohlraum in Verbindung steht.
23. Elektrodenanordnung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß der besagte Ausgang eine Vielzahl von Löchern aufweist,? welche mit dem besagten Hohlraum in Verbindung stehen.
24. Elektrodenanordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Elektrodenelement länglich ist.
25. Elektrodenanordnung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Elektrodenelement im wesentlichen zylindrisch ist.
26. Elektrodenanordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 609852/029 0

25, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode eine Leitung für ein Kühlmittel aufweist.
27. Elektrodenanordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Elektrodenelement eine Leitung für ein Kühlmittel enthält.
28. Elektrodenanordnung nach einem der Ansprüche 9, 12 oder 22, gekennzeichnet durch ein Einlaßgasverteilungsrohr und durch eine Vielzahl von Löchern zum Leiten von Einlaßgas aus diesem Rohr zum Raum zwischen dem ersten und dem zweiten Elektrodenelement.
29. Elektrodenanordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Elektrodenelement in Bezug auf das erste Elektrodenelement positiv vorgespannt ist.
30. Elektrodenanordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Zünden des Lichtbogens oder zum Bitten des Lichtbogens eine Wechselstromspule aufweist.
31. Elektrodenanordnung nach einem der Ansprüche 9bis 30, gekennzeichnet durch eine Einrichtung, durch welche ein Keimmaterial dem besagten Gas zugegeben wird.

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