RU2109393C1

RU2109393C1 - Method of generation of electric energy and resonance magnetohydrodynamic generator for its realization

Info

Publication number: RU2109393C1
Application number: RU95110712A
Authority: RU
Inventors: Алексей Владимирович Данилин
Original assignee: Алексей Владимирович Данилин
Priority date: 1995-06-14
Filing date: 1995-06-14
Publication date: 1998-04-20

Abstract

FIELD: power engineering. SUBSTANCE: high-temperature gas is so injected into closed toroidal conduit that gas stream moves in conduit along circle in the form of even number of alternating regions of high and low pressure. Volumetric charges of opposite polarity are formed in each central-symmetric pair of regions of low pressure by organization of positive feedback between potentials of thermal electrodes which are positioned in conduit and volumetric charges of regions of low gas pressure interacting with thermal electrodes bordering on these regions. Conduit embraces magnetic circuits which carry excitation windings connected to thermal electrodes. Voltage for users is collected from output windings of magnetic circuits. MHD generator has toroidal conduit connected to combustion chambers. Conduit houses thermal electrodes which are connected to one ends of excitation windings. Other ends of all excitation windings are interconnected. Dielectric layer coats conduit on inside. EFFECT: enhanced efficiency of method and generator. 2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к энергетике, а именно к проблемам получения электроэнергии с помощью МГД-генераторов. Известны способ и устройство преобразования потока вещества в электрическую энергию по пат. ГДР N 269730 (кл. H 02 K 44/00, 1989 г.)
В соответствии с указанным способом предварительно подогревают горючий газ, который сжигают в кислороде. В результате сжигания получают плазму и заставляют ее пульсировать с определенной частотой. Затем пульсирующую плазму синхронно с колебаниями тока в электрической цепи подводят к электродам и преобразуют в результате деионизации энергии плазмы в электрическую энергию.The invention relates to energy, and in particular to the problems of generating electricity using MHD generators. A known method and device for converting the flow of matter into electrical energy according to US Pat. GDR N 269730 (class H 02 K 44/00, 1989)
In accordance with this method, a combustible gas is preheated, which is burned in oxygen. As a result of burning, plasma is obtained and made to pulsate with a certain frequency. Then, the pulsating plasma is synchronously with current fluctuations in the electric circuit supplied to the electrodes and converted as a result of deionization of the plasma energy into electrical energy.

Устройство содержит высокотемпературные электроды и систему импульсной подачи плазмы, а также схему синхронизации импульсов подачи плазмы с колебаниями тока в электрической цепи. The device contains high-temperature electrodes and a pulsed plasma supply system, as well as a synchronization circuit for plasma supply pulses with current fluctuations in an electric circuit.

Рассматриваемый способ не позволяет получить значительного увеличения коэффициента полезного действия, так как значительно расходует компоненты для получения плазмы. Устройство - прототип предъявляет высокие технические требования к высокотемпературным электродам, так как через них течет основной ток нагрузки такого МГД - генератора. The considered method does not allow to obtain a significant increase in efficiency, since it significantly consumes components for plasma production. The prototype device makes high technical requirements for high-temperature electrodes, since the main load current of such an MHD generator flows through them.

Задачей изобретения является повышение надежности функционирования и получения высокого коэффициента полезного действия. The objective of the invention is to increase the reliability of operation and obtain a high efficiency.

Это достигается тем, что в замкнутый тороидальный канал производят импульсный впрыск высокотемпературного газа, формируя газовый поток, движущийся по кругу в заданном направлении и состоящий из чередующихся областей высокого и низкого давления. Области низкого давления симметричные относительно центра вращения, несут объемные заряды противоположной полярности, получаемые за счет взаимодействия ионизированного газа и термоэлектродов введенных в канал, соединенных с соответствующими обмотками возбуждения размещенными на магнитопроводах с выходных обмоток магнитопроводов снимают напряжение переменного тока. This is achieved by the fact that a high-temperature gas is pulsedly injected into a closed toroidal channel, forming a gas stream moving in a circle in a given direction and consisting of alternating regions of high and low pressure. The low-pressure regions are symmetrical with respect to the center of rotation; they carry space charges of opposite polarity, obtained due to the interaction of ionized gas and thermoelectrodes introduced into the channel, connected to the corresponding field windings located on the magnetic circuits, remove the AC voltage from the output windings of the magnetic circuits.

Устройство, содержит замкнутый тороидальный канал с корпусом из немагнитного металла и электромагнитную систему с обмотками, а также камеры сгорания, соединенные с каналом. В канале размещены термоэлектроды и выполнено диэлектрическое покрытие. Электромагнитная система содержит магнитопроводы с обмотками возбуждения и выходными обмотками. Обмотки возбуждения соединены одним концом с соответствующими термоэлектродами, а другие концы обмоток возбуждения соединены вместе. The device contains a closed toroidal channel with a housing made of non-magnetic metal and an electromagnetic system with windings, as well as a combustion chamber connected to the channel. Thermoelectrodes are placed in the channel and a dielectric coating is made. The electromagnetic system contains magnetic circuits with field windings and output windings. The field windings are connected at one end to the corresponding thermoelectrodes, and the other ends of the field windings are connected together.

Скорость движения областей высокого и низкого давления поддерживается с помощью системы автоматического управления таким образом, что момент взаимодействия областей высокого давления в точке соединения канала с камерой сгорания синхронизирован по частоте и фазе. Частота повторения таких взаимодействий соответствует собственной резонансной частоте колебаний газа в камерах сгорания. The speed of movement of the high and low pressure areas is maintained using an automatic control system so that the moment of interaction of the high pressure areas at the junction of the channel with the combustion chamber is synchronized in frequency and phase. The repetition rate of such interactions corresponds to the natural resonant frequency of gas oscillations in the combustion chambers.

Предлагаемая совокупность операций, элементов и связей позволяет достичь поставленную цель изобретения за счет оптимизации процесса преобразования энергии движущегося потока вещества в электрическую энергию, а также в результате технической реализации последовательности событий и требований, обусловленных физическими закономерностями. The proposed set of operations, elements and relationships allows us to achieve the goal of the invention by optimizing the process of converting the energy of a moving stream of matter into electrical energy, as well as the technical implementation of the sequence of events and requirements due to physical laws.

При изучении известных технических решений в данной области техники совокупность признаков, отличающая предлагаемое изобретение, не была выявлена. In the study of known technical solutions in the art, the totality of features that distinguish the invention was not identified.

Данное решение существенно отличается от известных. Поскольку предлагаемое техническое решение отличается от известных, то оно явным образом не следует из уровня техники и соответственно имеет изобретательский уровень. This solution is significantly different from the known ones. Since the proposed technical solution differs from the known ones, it obviously does not follow from the prior art and accordingly has an inventive step.

Так как предлагаемое решение может быть реализовано современными средствами и материалами, то оно является промышленно применимым. Since the proposed solution can be implemented by modern means and materials, it is industrially applicable.

На фиг. 1 показаны основные компоненты резонансного МГД- генератора; на фиг. 2- функциональная электрическая схема резонансного МГД-генератора. In FIG. 1 shows the main components of a resonant MHD generator; in FIG. 2- functional electrical circuit of a resonant MHD generator.

На чертежах обозначено: 1- канал, 2 - корпус, 3 - диэлектрическое покрытие, 4 - термоэлектрод, 5 - магнитопровод, 6 - камера сгорания, 7 - область высокого давления с избытком электронов, 8 - область высокого давления с избытком ионов, 9 - обмотка возбуждения, 10- выходная обмотка. The drawings indicate: 1 - channel, 2 - housing, 3 - dielectric coating, 4 - thermoelectrode, 5 - magnetic circuit, 6 - combustion chamber, 7 - high pressure region with an excess of electrons, 8 - high pressure region with an excess of ions, 9 - field winding, 10-output winding.

Сущность способа получения электрической энергии заключается в следующем. Замкнутый тороидальный канал соединен с камерами сгорания, в которые производят импульсный впрыск топлива и окислителя, что осуществляют при помощи системы впрыска, управляемого по частоте, фазе и количеству вводимого вещества. За счет высокой температуры газа в рабочем объеме вновь впрыскиваемые компоненты вступают в реакцию (при пуске смесь топлива и окислителя поджигают) и возбуждают в камерах сгорания ударные волны на собственной резонансной частоте, соответствующей физическим размерам камеры сгорания, при этом в тороидальном канале появляются области высокого и низкого давления, перемещающиеся с определенной скоростью в заданном направлении. Скорость перемещения регулируют за счет изменения фазы взаимодействия областей высокого давления в канале и камерах сгорания. Сброс отработанных газов обеспечивает устройство выхлопа. The essence of the method of producing electrical energy is as follows. A closed toroidal channel is connected to combustion chambers into which pulse injection of fuel and an oxidizing agent is carried out, which is carried out using an injection system controlled by the frequency, phase, and quantity of the introduced substance. Due to the high temperature of the gas in the working volume, the newly injected components react (during start-up, the mixture of fuel and oxidizer is ignited) and shock waves are excited in the combustion chambers at the natural resonant frequency corresponding to the physical dimensions of the combustion chamber, while regions of high and low pressure moving at a certain speed in a given direction. The speed of movement is regulated by changing the phase of interaction of the high pressure areas in the channel and combustion chambers. The exhaust gas discharge is provided by the exhaust device.

Количество областей высокого и низкого давления в канале должно быть четным. При этом каждая область высокого и низкого давления симметрична такой же области относительно центра вращения и составляет с ней пару. Области низкого давления в канале частично ионизированы за счет высокой температуры газа, что позволяет изменять знак объемного заряда этих областей. Области высокого давления являются хорошим диэлектриком из-за высокой концентрации нейтральных частиц. Как только температура газа и термоэлектроды в канале достигнут необходимой величины произойдет самовозбуждение генератора за счет положительной обратной связи между потенциалом на термоэлектроде и областью ионизированного газа (областью низкого давления), взаимодействующего с ним в данный момент времени. Самовозбуждение происходит следующим образом. Область низкого давления в какой-то момент времени проходит по каналу сквозь неподвижный магнитопровод, и пусть в этой области спонтанно образовался небольшой избыток электронов, тогда в магнитопроводе, охватывающем канал, появляется электромагнитное поле, наводящее в обмотке возбуждения ЭДС-индукции. Обмотка возбуждения одним концом подключена к термоэлектроду, на котором появляется отрицательный потенциал, увеличивающий количество электронов в данной области низкого давления, что еще более увеличивает электромагнитное поле. В это время в парной (симметричной) области низкого давления происходит обратный процесс уменьшения количества электронов проводимости через другой термоэлектрод и обмотку возбуждения, идущих в первую область, так как все обмотки возбуждения соединены между собой. Таким образом в парных областях низкого давления возникают объемные заряды противоположного знака. Потенциал объемных зарядов зависит от числа витков обмоток возбуждения. The number of high and low pressure areas in the channel should be even. Moreover, each region of high and low pressure is symmetrical to the same region with respect to the center of rotation and is paired with it. The low-pressure regions in the channel are partially ionized due to the high gas temperature, which makes it possible to change the sign of the space charge of these regions. High pressure areas are a good dielectric due to the high concentration of neutral particles. As soon as the temperature of the gas and thermoelectrodes in the channel reach the required value, the generator will self-excite due to the positive feedback between the potential on the thermoelectrode and the region of ionized gas (low-pressure region) interacting with it at a given time. Self-excitation occurs as follows. A low-pressure region at some point in time passes through the channel through a stationary magnetic circuit, and although a small excess of electrons spontaneously forms in this region, then an electromagnetic field appears in the magnetic circuit that surrounds the channel, inducing EMF induction in the excitation winding. The excitation winding is connected at one end to a thermoelectrode on which a negative potential appears, increasing the number of electrons in a given low-pressure region, which further increases the electromagnetic field. At this time, in the pair (symmetric) low-pressure region, the reverse process of reducing the number of conduction electrons through another thermoelectrode and the excitation winding going to the first region occurs, since all the excitation windings are interconnected. Thus, in opposite paired regions of low pressure, space charges of the opposite sign arise. The potential of space charges depends on the number of turns of the field windings.

Если к выходным обмоткам подключают нагрузку, то происходит торможение накопленных в областях низкого давления объемных зарядов силами электромагнитного поля, направленными навстречу движению по каналу таких областей. За счет этих сил заряженные частицы проникают в области высокого давления, накапливаясь в них в том большем количестве, чем больше величина силы, тормозящей объемные заряды, т. е. чем больше величина переменного тока в выходных обмотках. А области низкого давления служат при этом как проводники ввода-вывода электронов проводимости в канале, необходимые для поддержания знака и величины объемных зарядов. Области высокого давления играют роль поршня, продвигающего объемные заряды по каналу и одновременно - роль накопителя заряженных частиц при работе под нагрузкой. Частота выходного напряжения генератора равна половине частоты колебаний газа в камерах сгорания. If the load is connected to the output windings, then the space charges accumulated in the low-pressure areas are decelerated by the forces of the electromagnetic field directed towards the movement along the channel of such areas. Due to these forces, charged particles penetrate in the high-pressure region, accumulating in them in a larger quantity, the greater the magnitude of the force that inhibits space charges, i.e., the greater the magnitude of the alternating current in the output windings. At the same time, low-pressure regions serve as conductors of the input-output of conduction electrons in the channel, necessary to maintain the sign and magnitude of space charges. High-pressure areas play the role of a piston that advances space charges along the channel and, at the same time, plays the role of an accumulator of charged particles when operating under load. The frequency of the generator output voltage is equal to half the frequency of the gas oscillations in the combustion chambers.

При уменьшении скорости ударных волн, связанных с торможением их объемными зарядами, система автоматики добавляет количество впрыскиваемого в канал вещества тем самым увеличивая скорость до необходимой. With a decrease in the speed of shock waves associated with the inhibition of their space charges, the automation system adds the amount of substance injected into the channel, thereby increasing the speed to the necessary.

МГД-генератор (фиг. 1) содержит канал 1, образованный тороидальным корпусом 2 из немагнитного материала. Внутри корпуса 2 выполнено диэлектрическое покрытие 3, и расположены термоэлектроды 4. Канал охвачен магнитопроводами 5 и соединен с камерами сгорания 6. При импульсном впрыске вещества в камерах сгорания 6 и канале 1 возбуждаются ударные волны, имеющие области высокого давления 7 и 8 с разнополярными объемными зарядами. На магнитопроводе 5 располагают обмотки возбуждения 9 и выходные обмотки 10. MHD generator (Fig. 1) contains a channel 1 formed by a toroidal casing 2 of non-magnetic material. Inside the housing 2, a dielectric coating 3 is made, and thermoelectrodes 4 are located. The channel is surrounded by magnetic circuits 5 and connected to the combustion chambers 6. When pulsed injection of material in the combustion chambers 6 and channel 1, shock waves are excited having high-pressure regions 7 and 8 with different polar volume charges . Excitation windings 9 and output windings 10 are located on the magnetic circuit 5.

Работает МГД-генератор следующим образом. В камеры сгорания 6, соединенные с каналом 1, производят импульсный впрыск топлива и окислителя. Впрыск синхронизирован таким образом, что в канале 1 возбуждаются ударные волны, движущиеся в заданном направлении, имеющие области высокого давления 7 и 8, несущие разнополярные объемные заряды, знак и величину которых поддерживают за счет индуктивного взаимодействия объемных зарядов с обмотками возбуждения 9, соединенных с термоэлектродами 4. В результате движения объемных зарядов сквозь неподвижные магнитопроводы 5, в выходных обмотках 10 наводится переменное напряжение, которое используют. The MHD generator operates as follows. In the combustion chamber 6, connected to the channel 1, produce a pulse injection of fuel and oxidizer. The injection is synchronized in such a way that shock waves are excited in channel 1, moving in a given direction, having high-pressure regions 7 and 8, carrying differently charged space charges, the sign and magnitude of which are supported by the inductive interaction of space charges with excitation windings 9 connected to thermoelectrodes 4. As a result of the movement of space charges through the stationary magnetic cores 5, an alternating voltage is induced in the output windings 10, which is used.

По данному предложению выполнены расчеты и конструирование отдельных узлов резонансного МГД-генератора. Конструкция является экономичной и позволяет использовать топливо с высокой эффективностью. According to this proposal, calculations and design of individual units of the resonant MHD generator were performed. The design is economical and allows the use of fuel with high efficiency.

Области применения изобретения:
- стационарные и мобильные автономные источники электрической энергии;
- преобразователи тепловой энергии в электрическую с высоким КПД.The scope of the invention:
- stationary and mobile autonomous sources of electrical energy;
- converters of thermal energy into electrical energy with high efficiency.

При использовании в качестве топлива водорода - экологически чистая электроэнергия. When using hydrogen as a fuel, clean electricity.

Claims

1. A method of producing electric energy, including ensuring the interaction of electrodes and high-temperature gas resulting from the oxidation of fuel, characterized in that the high-temperature gas is pulsed into a closed toroidal channel, creating a gas flow moving in the channel in a circle in the form of an even number of alternating regions of high and low pressure, while in each pair of regions of low pressure symmetrical with respect to the axis of the torus, space charges of opposite polarity by organizing a positive feedback between the potentials of thermoelectrodes placed in the channel and space charges of low-pressure gas regions interacting with thermoelectrodes adjacent to these regions, the thermoelectrodes being connected to the excitation windings made on the magnetic circuits covering the channel, and removed from the output windings of the magnetic cores AC voltage.

2. A resonant MHD generator comprising a channel with a housing made of non-magnetic material and an electromagnetic system, characterized in that the channel is closed in a toroidal shape and connected to combustion chambers, thermoelectrodes are placed in the channel and a dielectric coating is made on the inner surface of the channel, the electromagnetic system contains magnetic circuits with field windings and output windings, the field windings being connected at one end to thermoelectrodes and the other ends of the windings being connected together.