DE2658177A1 - Magnetohydrodynamischer generator - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE 89 Augsburg 22, den 21.12.1976

dr.ing. E. UEBAU ^RMkesiraBe10 2658177

D.PL.ING. G. LIEBAU , ~. Ihr Zeichen

Reynolds Metals Company

6601 West Broad Street^ Henrico County Richmond Post Office, Virginia 23 261/USA

Magnetohydrodynamischer Generator

Die Erfindung betrifft magnetohydrodynamische Generatoren und insbesondere eine verbesserte gasförmige Elektrode für solche Generatoren.

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

Die rasche Bewegung der Hochtemperaturgase hat jedoch eine ernste Erosion der Generatorelektroden ebenso wie die inneren Lichtbogen zur Folge, welche den Hauptplasma-

(0821157«89) Telegr.-Adr.: ELPATENT - Augsburg Postscheckkonto München «510-809 Deutsche Bank AG Augsburg K.o.-Nr. 08/34

' 709 827/0298 Bankleitzahl 720 700

strom des MHD-Generators mit einer Last verbinden. Obwohl gasförmige Elektroden bereits vorgeschlagen wurden, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte gasförmige Elektrode unter Verwendung eines elektrischen leitenden Gases zu entwickeln, das sich nicht abnutzt, selbst wenn es hohen Generatorstromdichten ausgesetzt wird.

(vergl. DT-08 26 25 O73X Es wurden bereits gasförmige Elektroden vorgeschlagen^ bei welchen ein Lichtbogen dazu gebracht wird, sich von Stelle zu Stelle innerhalb eines Hohlraums längs einer oder mehrerer öffnungen in der Elektrode zu bewegen, so daß ionisiertes Gas den ganzen Hohlraum füllt und in den Hauptkanal des Generators gelangt. Solche Bauformen lassen sich dadurch beschreiben, daß ein Kathodenfleckphänomen zur Anwendung kommt, bei welchem das MHD-Magnetfeld bewirkt, daß sich der Lichtbogen um die innere Elektrode herum bewegt. Es wurde ferner vorgeschlagen, daß die Längsbewegung des Lichtbogens durch das magnetische Feld gesteuert werden kann, das durch eine Wicklung erzeugt wird, welche um die Elektrode herumgewickelt ist. Solche Bauformen sind jedoch nicht notwendigerweise so einfach oder zuverlässig, als es manchmal wünschenswert ist. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine gasförmige Elektrode mit einer gesteuerten Bewegung des Lichtbogens sowohl in der ümfangsrichtung als auch in der Längsrichtung zu entwickeln, ohne daß eine Wicklung zur Felderzeugung notwendig ist.

Es wurde ferner festgestellt, daß ein Lichtbogen, der in der Längsrichtung längs eines inneren Elektrodenelements einer gasförmigen Elektrode schwingt, eine Erosion des inneren Elektrodenelements in dem Bereich verursachen kann, in welchem die Lichtbogenlängsbewegung

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Λ-

umgekehrt wird. Es gehört daher ferner zur Aufgabe der Erfindung, eine gasförmige Elektrode zu entwickeln, bei welcher das Problem der Erosion an der Innenelektrode ausgeschaltet ist.

Erfindungsgemäß wird eine Elektrode mit einem Winkel zu dem MHD-Magnetfeld angeordnet, so daß der Elektrodenlichtbogen sich sowohl in der Umfangs- als auch in der Längsrichtung bewegt. Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird ein anderes Gas als das ionisierte Gas in die Elektrodenkammer an entgegengesetzten Enden der Elektroden eingeleitet, um die Erosion herabzusetzen oder auszuschalten.

Die vorstehenden und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden näheren Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen, in welchen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile in den verschiedenen Ansichten bezeichnen und zwar zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines MHD-Generators vom Faraday-Typ mit segmentförmigen Elektroden;

Fig. 2 eine Ansicht in schematischer und schaubildlicher Darstellung einer in dem MHD-Generator nach Fig. verwendeten Elektrode;

Fig. 3 eine Ansicht im Schnitt nach der Linie 3-3 in Fig. 2;

Fig. 4 eine Ansicht im Schnitt nach der Linie 4-4 in Fig. 2;

Fig. 5 eine Vektoranalyse der erfindungsgemäßen Bauform;

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Fig. 6 eine Draufsicht einer erfindungsgemäßen Elektrodenwand .

Ein herkömmlicher MHD-Generator besitzt einen Kanal 10 (Fig. 1), der einen Hauptstrom von elektrisch leitendem Hochtemperatur-Plasina am Einlaßende aufnimmt, wie durch den Pfeil 12 angegeben.

Durch die richtige Wahl der Form und des Entladungsdruckes des Kanals 10 kann das Plasma dazu gebracht werden, sich durch den Kanal mit einer im wesentlichen konstanten Geschwindigkeit an einer oder mehreren Elektroden vorbeizubewegen, wie schematisch durch segmentförmige Elektroden 14 und 16 dargestellt, die sich in einem Stromkreis mit einer Last 20 befinden.

Durch den Pfeil B ist ein geeigneter magnetischer Fluß dargestellt, der quer zu dem Kanal in einer Richtung senkrecht sowohl zum Plasmastrom 12 als auch zur zwischen den Elektroden 14 und 16 zu erzeugenden EMK angeordnet.

Die in Fig. 2 dargestellte Elektrode weist ein zylindrisches Elektrodenelement 22 auf, das durch einen Isolator 23 (Fig. 4) in einem gleichmässigen Abstand innerhalb eines zylindrischen Hohlraums 24 eines umgebenden länglichen Elektrodenelements 26 gehalten wird, das mit Kanälen 27 für ein Kühlmittel versehen ist, um die Temperatur der Anordnung herabzusetzen. Die Oberseite des Elements 26 weist einen mittig angeordneten Kanal 28 auf, um einen Abfluß des Elektrodenplasmas zu ermöglichen, wie nachfolgend beschrieben wird.

Eine Gaseinleitungs-Sammelleitung 30 (Fig. 3 und 4) erstreckt sich innerhalb des Elements 26 und dient dazu, ein

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geeignetes Gas - gewöhnlich ein inertes Gas wie Argon durch Kanäle 32 in den Hohlraum 24 zu leiten, wo es um das mittige Elektrodenelement 22 herumtritt, aus dem Kanal 28 austritt und in den Generator selbst eintritt. Für diesen Zweck ist das mittige Elektrodenelement 22 mit Bezug auf das Elektrodenelement 26 durch eine Batterie 34 negativ vorgespannt. Auf diese Weise wird ein Lichtbogen 38 zwischen den beiden Elektrodenelementen 22 und 26 gezündet, der dazu dient, das Gas zu ionisieren, das durch den Hohlraum 24 zwischen den Elektrodenelementen 22 und 26 hindurchtritt, bevor das entstehende Plasma aus dem Kanal 28 austritt und in den Hauptkanal des Generators eintritt, um dadurch eine gasförmige Elektrode zu bilden.

Ein wesentliches Merkmal der vorangehend beschriebenen Anordnung ist ihr "Kathodenfleck"-Phänomen. Mit anderen Worten, die natürliche Lauftendenz des Lichtbogens 38 ist eine kontinuierliche Bewegung von Stelle zu Stelle innerhalb desHohlraums zwischen den beiden Elektroden und 26, besonders, wenn das mittige Elektrodenelement 22 aus Kupfer hergestellt ist. Bei früher vorgeschlagenen Systemen, bei welchen der Magnetfeldvektor parallel zur Längsachse der Elektrode 22 war, wirkte bei senkrecht zur Oberfläche der Elektrode 22 stromdichte Vektor des Lichtbogens eine Kraft auf den Lichtbogen nach der Rechte-Hand-Regel in einer Richtung tangential zur Elektrodenoberfläche. Diese tangentiale Kraft verursachte eine Rotation des Lichtbogens um die Elektrode 22 in einer einzigen Ebene. Zum Bewegen des Lichtbogens in der Längsrichtung entlang der Elektrode 22 wurde vorgeschlagen, Wicklungen um die Elektrodenanordnung herum vorzusehen, um ein zweites Magnetfeld zu erzeugen, das zu dem ersten senkrecht ist.

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Durch die Erfindung wird die Notwendigkeit einer Einrichtung zur Erzeugung eines zweiten Magnetfeldes dadurch vermieden, daß die Elektrode 22, wie in Fig. 6 gezeigt, mit einem von 0° abweichenden Winkel zum MHD-Magnetfeld angeordnet wird.

Fig. 5 gibt eine Darstellung einer Vektoranalyse der Erfindung. Wenn die Längsachse der Elektrode 22 mit X bezeichnet wird und die Achsen Y und Z beliebig zur Achse X gelegt werden, wird ein Magnetfeldvektor B in einer XZ-Ebene mit einem Winkel a zur X-Ächse erhalten. Die X- und Z-Komponenten des Magnetfeldes B sind als Vektoren B und B dargestellt.

Der stromdichte Vektor J eines Lichtbogens, der immer senkrecht zur Oberfläche der Elektrode 22 ist, hat Komponenten nur längs der Y- und der Z-Achse. Auf den Lichtbogen wirkt daher eine Kraft entsprechend der Linke-Hand -Regel. Das Magnetfeld B und eine Stromdichte J erzeugen eine Kraft F , d.h. eine Kraft tangential zur Elektrode 22, während das Magnetfeld B^ und eine Stromdichte J eine Kraft auf den Li
eine Kraft in der Längsrichtung

dichte J eine Kraft auf den Lichtbogen F erzeugen, d.h,

In Fig. 5 wurden zwei Punkte E und F als mögliche Orte eines Lichtbogens gewählt, um die vorgenannte Analyse darzustellen. Am Punkt E hat die Stromdichte eine einzige Komponente J , welche zusammen mit der Magnetfeldkomponente B eine Kraft F erzeugt, welche den Lichtbogen in einer Umfangsrichtung treibt. Diese Kraft wird durch die folgende Gleichung bestimmt:

^Fc - ^Jz ^{x B}x

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Am Punkt F hat die Stromdichte eine einzige Komponente J . Entsprechend der Linke-Hand-Regel erzeugen das

Magnetfeld B und die Stromdichte J eine Kraft F₁ in ζ y i

der Längsrichtung. Die Längskraft an diesem Punkt ist

1 y ζ

Am gleichen Punkt F wirkt das Magnetfeld B mit einer Stromdichte J , um eine Kraft F zu erzeugen;

y c

F = .T χ Β

*c ^Jy ^x χ

Wie ersichtlich, wirken an jedem Punkt zwischen E und F Kräfte auf den Lichtbogen sowohl in der Längsrichtung als auch in der ümfangsrichtung. Als Folge dieser sich verändernden Kräfte folgt der Kathodenfleck einer Bahn, die in Fig. 5 durch eine strichpunktierte Linie dargestellt ist. Der Lichtbogen bewegt sich daher entlang der Elektrode 22 vor und zurück, um das Gas in der Kammer 24 vollständig zu ionisieren.

Ferner ist ersichtlich, daß Längskräfte immer bestehen, wenn der Magnetfeldvektor B Komponenten in der Y- und/oder Z-Richtung hat. Daher kann, obwohl im vorliegenden Fall in der X-Z-Ebene gezeigt, der Vektor B in einer beliebigen durch die X-Achse gelegten Ebene verlaufen.

Fig. 6 ist eine Draufsicht einer Reihe von erfindungsgemäßen Elektroden. Die Elektroden sind sowohl mit Bezug auf das Magnetfeld als auch auf den Plasmastrom winkelig angeordnet gezeigt, wobei zu erwähnen ist, daß die Elektroden gegebenenfalls senkrecht zum Plasmastrom gehalten werden und nur mit Bezug auf das Magnetfeld winkelig sein kann.

Es wurde festgestellt, daß an den Punkten E und G (Fig. 5)

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der Kathodenfleckbahn eine ERosion der Elektrode 22 stattfinden kann und daß gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung diese Erosion dadurch im wesentlichen ausgeschaltet wird, daß ein anderes als das ionisierende Gas an jedem Ende der Kammer 24 eingeleitet wird. Es sind daher Gaseinlässe 35 und 36 (Fig. 4) vorgesehen.

Dieses zweite Gas ist so gewählt, daß es eine viel höhere Spannung zwischen den Elektroden 22 und 26 erfordert, um zwischen diesen einen Lichtbogen aufrecht zu erhalten. Gewöhnlich dienen zweiatomige Gase diesem Zweck und insbesondere ist Stickstoff gut geeignet. Als Folge des Erfordernisses der höheren Spannung wird der Lichtbogen gelöscht, wenn er ein Ende der Elektrode 22 erreicht und wieder gezündet zur Rückwärtslängsbewegung, so daß, da der Lichtbogen an jedem Ende gelöscht wird, die Erosion im wesentlichen ausgeschaltet wird.

Obwohl die Erfindung im besonderen anhand ihrer bevorzugten Ausführungsformen gezeigt wurde, ist sie nicht hierauf beschränkt, sondern kann hinsichtlich der Form und der Einzelheiten verschiedene Abänderungen erfahren.

Patentansprüche;

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Leerseife

Claims (11)

Patentansprüche :

1.JMHD-System mit einem Kanal zum Hindurchleiten eines Plasmas, einer Einrichtung zum Erzeugen eines Magnetfeldes quer zu diesem Kanal und einer Elektrodenanordnung, gekennzeichnet durch

ein erstes langgestrecktes Elektrodenelement (22) benachbart dem Plasmastrom (12) ;

ein zweites langgestrecktes Elektrodenelement (26) im Abstand von dem ersten Elektrodenelement (22); eine Einrichtung (30, 32) zum Hindurchleiten eines ersten Gases durch den Raum (24) zwischen dem ersten und dem zweiten Elektrodenelement; einem Auslaß (28), durch welchen das erste Gas zwischen dem ersten und dem zweiten Elektrodenelement in den erwähnten Kanal (10) austreten kann und eine Spannungsquelle (34) zum Zünden eines Lichtbogens zwischen dem ersten und dem zweiten Elektrodenelement zum Ionisieren des ersten Gases und zur elektrischen Verbindung der Elektrodenanordnung mit dem Plasmastrom (12),

welche Elektrodenanordnung so vorgesehen ist, daß die Längsachse zumindest eines der langgestreckten Elektrodenelemente einen Winkel (a) mit dem quer zu dem Kanal (10) erzeugten Magnetfeld hat, damit sich der Lichtbogen von Stelle zu Stelle längs der Oberfläche der langgestreckten Elektrode sowohl in der ümfangsrichtung als auch in der Längsrichtung mit Bezug auf die erwähnte langgestreckte Elektrode bewegt.

709827/0298 _{0R|elNAL 1NSPE0TC}0

2. MHD-System nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (35, 36) zum Einleiten eines zweiten Gases zumindest an einem der Enden des erwähnten Raums (24) zwischen der ersten und der zweiten langgestrecktenElektrode, welches zweite Gas eine höhere Spannung zur Aufrechterhaltung eines Lichtbogens zwischen den langgestreckten Elektrodenelementen als das erste Gas erfordert.

3. MHD-System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Gas zweiatomig ist.

4. MHD-System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das erwähnte Gas Stickstoff ist.

5. Verfahren für den Betrieb einer gasförmigen Elektrode für ein MHD-System von der Art, bei welcher ein Lichtbogen zwischen dem ersten und dem zweiten Elektrodenelement gezündet wird, um ein Gas zu ionisieren, das zwischen ihnen hindurchgeleitet wird, und bei welchem der Lichtbogen dazu veranlaßt wird, sieh von Stelle zu Stelle längs der Oberfläche zumindest einer der Elektroden zu bewegen, dadurch gekennzeichnet, daß das erwähnte MHD-Magneffe Id dazu verwendet wird, den Lichtbogen von Stelle zu Stelle sowohl in der Umfangsrichtung als auch in der Längsrichtung mit Bezug auf die Oberfläche mindestens einer der Elektroden zu bewegen.

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6. I¹IiE)-System von der Art mit einer Elektrodenanordnung, einem Kanal zum Hindurchleiten eines Plasmas benachbart derselben und einer Einrichtung zum Erzeugen eines Magnetfeldes quer zu dem Kanal, gekennzeichnet durch

ein erstes langgestrecktes Elektrodenelement (22), das benachbart dem Plasmastrom (12) angeordnet ist; ein zweites langgestrecktes. Elektrodenelement (26) im Abstand von dem ersten Elektrodenelement (22) ; eine Einrichtung (30, 32) zum Hindurchleiten eines ersten Gases durch den Raum QA) zwischen dem ersten und dem zweiten Elektrodenelement; einen Auslaß (28), durch welchen das erste Gas aus dem Raum zwischen dem ersten und dem zweiten Elektroäenelement in den erwähnten Kanal (10) austreten kann; eine Spannungsquelle (34) zum Zünden eines Lichtbogens zwischen dem ersten und dem zweiten Elektrodenelement zum Ionisieren des ersten Gases und elektrischen Verbinden der Elektrodenanordnung mit dem Plasmastrom (12) und

eine Einrichtung (35, 36) zum Einleiten eines zweiten Gases zumindest an dem einen Ende des Raumes (24) zwischen dem ersten und dem zweiten langgestreckten Elektrodenelement, welches zweite Gas eine höhere Spannung zur Aufrechterhaltung eines Lichtbogens zwischen den erwähnten langgestreckten Elektrodenelementen als das erste Gas erfordert.

7. MHD-System nach i^nspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Gas zweiatomig ist.

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-MT-

8. MHD-System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas Stickstoff ist.

9. Verfahren für den Betrieb einer gasförmigen Elektrode für ein MHD-System von der Art, bei welcher ein Lichtbogen zwischen einem ersten und einem zweiten Elektrodenelement gezündet wird, um ein zwischen diesen hindurchtretendes erstes Gas zu ionisieren, und bei welcher der Lichtbogen dazu gebracht wird, sich von Stelle zu Stelle längs der Oberfläche mindestens einer der Elektroden zu bewegen, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites Gas zwischen dem ersten und dem zweiten Elektrodenelement zumindest an dem einen Ende des Raumes zwischen den Elektrodenelementen eingeleitet wird, welches zweite Gas eine höhere Spannung zur Aufrechterhaltung eines Lichtbogens zwischen den langgestreckten Elektroden als das erste Gas erfordert.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Gas zweiatomig ist.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Gas Stickstoff ist.

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