RU2111601C1

RU2111601C1 - Magnetohydrodynamic unit

Info

Publication number: RU2111601C1
Application number: RU96112248A
Authority: RU
Inventors: Л.Л. Рыженков; Г.И. Щербаков
Original assignee: Центральный аэрогидродинамический институт им.проф. Н.Е.Жуковского
Priority date: 1996-06-18
Filing date: 1996-06-18
Publication date: 1998-05-20

Abstract

FIELD: electrical engineering. SUBSTANCE: unit has magnetohydrodynamic channel, electromagnet, and electrically isolated power supplies. Anode and cathode walls 4 of channel incorporate electrodes 5 divided into segments 8 which are separated by insulating layers 9. First segment of each electrode of anode wall and last segment of each electrode of cathode wall are connected across the line and remaining ones, though respective switches 11. Inputs of switches on each electrode are combines and connected to respective interrupter 10. Control input of switches 11 is connected through electrical isolation unit 12 and frequency divider 13 to common variable-frequency generator 14. Segments of electrodes and insulating layers are combined with respect to heat. EFFECT: improved design. 2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к экспериментальной аэродинамике, в частности, к установкам, где электромагнитная энергия преобразуется в кинетическую энергию потока газа и наоборот, например, в гиперскоростных аэродинамических трубах с магнитогазодинамическим (МГД) ускорителем. The invention relates to experimental aerodynamics, in particular, to installations where electromagnetic energy is converted into kinetic energy of a gas stream and vice versa, for example, in high-speed wind tunnels with a magnetogasdynamic (MHD) accelerator.

Условия работы канала МГД-ускорителя характеризуются высоким уровнем тепловых потоков с большими и резкими его изменениями на фоне протекания значительных электрических токов при больших градиентах электрического потенциала. Кроме того, стенки канала подвергаются воздействию сверхзвукового высокоскоростного потока воздуха с присадкой щелочного металла. Так, например, при типичном режиме работы ускорителя аэродинамической трубы с МГД-ускорителем потока воздуха (СМГДУ) тепловой поток в элементе конструкции канала изменяется за время t = 0,03-0,04 с от 0,5 до 20 МВт/м², средняя плотность тока составляет j_ср ~ 80 А/см², средняя напряженность электрического поля E ~ 200 В/см, а скорость потока достигает 6 - 7 км/с. Вместе с тем, на анодной стенке МГД-ускорителя существует прерывистый токовый слой, располагающийся над межэлектродными изоляторами. Каждый элемент этого слоя является жидким анодом, общим для группы пар электродов, расположенных вверх по потоку от него. В пределах собственно электрода ток концентрируется практически полностью на кромке, расположенной вниз по потоку. Все это осложняется относительно небольшими размерами канала МГД-ускорителя (поперечное сечение канала составляет порядка нескольких квадратных сантиметров). Существование такого слоя наряду с остальным своеобразием условий работы МГД-ускорителя приводит к заметной эрозии межэлектродных изоляторов на анодной стенке, в то время как на катодной стенке она обычно практически отсутствует. В результате ограничивается ресурс канала и ухудшается однородность газового потока, что недопустимо для аэродинамических труб. Следует заметить, что подобные явления при определенных условиях могут иметь место и на катодной стенке.The operating conditions of the MHD accelerator channel are characterized by a high level of heat fluxes with its large and sharp changes against the background of the flow of significant electric currents with large gradients of the electric potential. In addition, the channel walls are exposed to a supersonic high-speed air stream with an alkali metal additive. So, for example, in a typical operation mode of a wind tunnel accelerator with an MHD accelerator of air flow (SMGDU), the heat flux in the channel structure element changes over time t = 0.03-0.04 s from 0.5 to 20 MW / m ² , the average current density is j _sr ~ 80 A / cm ² , the average electric field strength is E ~ 200 V / cm, and the flow velocity reaches 6 - 7 km / s. At the same time, on the anode wall of the MHD accelerator there is an intermittent current sheet located above the interelectrode insulators. Each element of this layer is a liquid anode common to a group of pairs of electrodes located upstream of it. Within the electrode itself, the current is concentrated almost completely on the edge located downstream. All this is complicated by the relatively small size of the channel of the MHD accelerator (the cross section of the channel is about several square centimeters). The existence of such a layer, along with the other peculiar working conditions of the MHD accelerator, leads to a noticeable erosion of interelectrode insulators on the anode wall, while on the cathode wall it is usually practically absent. As a result, the channel resource is limited and the uniformity of the gas flow is deteriorated, which is unacceptable for wind tunnels. It should be noted that similar phenomena under certain conditions can also occur on the cathode wall.

Известно МГД-устройство [1], представляющее собой МГД-ускоритель фарадеевского типа обычной конструкции, содержащее электромагнит, МГД-канал, образованный изоляционными и секционированными электродными стенками, и независимые гальванически разделенные источники питания, связанные каждый со своей парой электродов, расположенных на катодной и анодной стенках. Значительная часть каждого электрода со стороны огневой поверхности напылена слоем толщиной 0,5 мм окиси бериллия, обладающей высокой теплопроводностью. Выбранная протяженность изоляционного слоя и возможность интенсивного теплоотвода от него обеспечивают надежную изоляцию соседних электродов друг от друга. A MHD device [1] is known, which is a Faraday type MHD accelerator of a conventional design, containing an electromagnet, an MHD channel formed by insulating and sectioned electrode walls, and independent galvanically separated power sources, each connected to its own pair of electrodes located on the cathode and anode walls. A significant part of each electrode from the side of the fire surface is sprayed with a layer of 0.5 mm thick beryllium oxide, which has high thermal conductivity. The selected length of the insulating layer and the possibility of intensive heat removal from it provide reliable isolation of adjacent electrodes from each other.

Недостаток данного устройства состоит в том, что не обеспечивается устранение стационарного токового слоя, который, как следует из [2] и [3], может возникать по крайней мере на анодной стенке. В этом устройстве интенсивность такового слоя может только слегка ослабляться, причем нестабильно по времени. Из-за этого имеет место узкий диапазон рабочих характеристик устройства при ускорении газового потока, нестабильность рабочих параметров канала и искажается поле течения газового потока, что недопустимо для аэродинамических труб. The disadvantage of this device is that it does not eliminate the stationary current sheet, which, as follows from [2] and [3], can occur at least on the anode wall. In this device, the intensity of such a layer can only slightly weaken, and is unstable in time. Because of this, there is a narrow range of operating characteristics of the device during acceleration of the gas flow, instability of the operating parameters of the channel and the field of gas flow is distorted, which is unacceptable for wind tunnels.

Задачей изобретения является расширение диапазона рабочих характеристик МГД-устройства, в частности МГД-ускорителей аэродинамических труб, и обеспечение однородности электрогазодинамических параметров в ядре потока. The objective of the invention is to expand the range of operating characteristics of the MHD device, in particular MHD accelerators of wind tunnels, and ensuring the uniformity of electro-gas-dynamic parameters in the flow core.

Технический результат заключается в ликвидации стационарного прерывистого токового слоя на электродных стенках МГД-канала фарадеевского типа за счет принудительного дискретного перемещения опорных пятен разряда по огневой поверхности электродов с регулируемой в зависимости от параметров потока и удаленности от входа в МГД-канал частотой, обеспечивающей заданный по времени закон распределения токов по поверхности электродов, исключающий как концентрацию токов вблизи какой-либо кромки огневой поверхности электродов, так и перетекание на соседний электрод. The technical result consists in eliminating a stationary intermittent current sheet on the electrode walls of the Faraday type MHD channel due to forced discrete displacement of the discharge reference spots along the firing surface of the electrodes with a frequency that is adjustable depending on the flow parameters and the distance from the entrance to the MHD channel, which provides a predetermined time the law of distribution of currents on the surface of the electrodes, excluding both the concentration of currents near any edge of the firing surface of the electrodes, and the overflow ue to the adjacent electrode.

Технический результат достигается тем, что в магнитодинамическом устройстве, содержащем электромагнит, МГД-канал, образованный изоляционными и секционированными электродными стенками и независимые гальванически разделенные источники питания, связанные каждый со своей парой электродов, электроды разделены на сегменты, изолированные друг от друга изоляционными слоями, первый сегмент каждого электрода анодной стенки и последний - катодной стенки - соединены с источником питания напрямую, а остальные - каждый через свой коммутатор, выход которого подключен к соответствующему сегменту электрода, а входы коммутаторов объединены и соединены с соответствующим прерывателем данного электрода, причем управляющий вход коммутатора через соединенные последовательно блок гальванической развязки и делитель частоты подключен к общему генератору регулируемой частоты, управляющему работой коммутаторов. При этом сегменты и изоляционные слои электродов соединены так, что исключается контактное тепловое сопротивление, то есть между ними обеспечен идеальный тепловой контакт, например, за счет диффузионной сварки. The technical result is achieved by the fact that in a magnetodynamic device containing an electromagnet, an MHD channel formed by insulating and sectioned electrode walls and independent galvanically separated power sources, each connected to its own pair of electrodes, the electrodes are divided into segments isolated from each other by insulating layers, the first the segment of each electrode of the anode wall and the last - the cathode wall - are directly connected to the power source, and the rest - each through its own switch, exits which is connected to a corresponding electrode segment, and switches the inputs are combined and connected to a respective electrode of the circuit breaker, wherein the control input of the switch connected in series through galvanic decoupling unit and a frequency divider is connected to a common controlled frequency generator, controls the operation of switches. In this case, the segments and insulating layers of the electrodes are connected so that contact thermal resistance is excluded, that is, ideal thermal contact is ensured between them, for example, due to diffusion welding.

На фиг. 1 представлена общая схема МГД-устройства; на фиг. 2 - структурная схема МГД-устройства, а на фиг. 3 - фрагмент электродной стенки канала. In FIG. 1 shows a general diagram of an MHD device; in FIG. 2 is a structural diagram of an MHD device, and in FIG. 3 - a fragment of the electrode wall of the channel.

Устройство представляет собой электромагнит 1, МГД-канал 2, образованный изоляционными 3 и секционированными электродными стенками 4 (катодная и анодная) с сегментированными электродами 5 и межэлектродными изоляторами 6 и независимые гальванически разделенные источники питания 7. The device is an electromagnet 1, MHD channel 2, formed by insulating 3 and sectioned electrode walls 4 (cathode and anode) with segmented electrodes 5 and interelectrode insulators 6 and independent galvanically separated power sources 7.

Каждый электрод состоит из сегментов 8, электрически изолированных друг от друга изоляционным слоем 9. Первый сегмент каждого электрода анодной стенки и последней - катодной стенки - соединен с источником питания напрямую, а остальные через прерыватель 10. В цепи каждого сегмента, не соединенного с источником питания напрямую, установлен свой коммутатор 11. Входы коммутаторов 11 объединены и соединены с соответствующим прерывателем 10 данного электрода 5. Управляющий вход коммутатора 11 соединен через блок гальванической развязки 12, делитель частоты 13 с генератором 14 регулируемой частоты. Сегмент 8 и электроизоляционные слои 9 электродов 5 объединены в тепловом отношении, например, с помощью диффузионной сварки. Each electrode consists of segments 8, electrically isolated from each other by an insulating layer 9. The first segment of each electrode of the anode wall and the last - the cathode wall - is connected directly to the power source, and the rest through a breaker 10. In the circuit of each segment not connected to the power source directly, its own switch 11 is installed. The inputs of the switches 11 are combined and connected to the corresponding breaker 10 of this electrode 5. The control input of the switch 11 is connected through a galvanic isolation unit 12, a divider Astoty 13 with an adjustable frequency generator 14. The segment 8 and the insulating layers 9 of the electrodes 5 are thermally integrated, for example, by diffusion welding.

Устройство работает следующим образом. Перед подачей питания на электроды включается цепь питания генератора регулируемой частоты, который запускается и выдает через соответствующие делители частоты и устройства гальванической развязки в определенной циклической последовательности импульсы, управляющие работой коммутаторов, вызывая их открытие или запирание. Затем подается электропитание на электроды, в результате чего происходит пробой разрядного промежутка между катодной и анодной стенками в районе сегментов, подключенных к источникам напрямую. Далее, с задержкой по времени, замыкается прерыватель, с помощью которого электродные сегменты подключаются к источникам питания. Поочередно, в последовательности, определяемой генератором частоты, осуществляется коммутация цепей соответствующих сегментов, обеспечивая протекание тока через них. Выбор частоты коммутации для каждого из сегментов исключает как концентрацию токов вблизи какой-либо кромки огневой поверхности электродов, так и протекание на соседний электрод, что предотвращает образование токового слоя на электродных стенках. The device operates as follows. Before applying power to the electrodes, the variable-frequency generator power supply circuit is switched on, which starts and issues pulses through the appropriate frequency dividers and galvanic isolation devices in a specific cyclic sequence that control the operation of the switches, causing them to open or close. Then, power is supplied to the electrodes, resulting in a breakdown of the discharge gap between the cathode and anode walls in the region of segments connected directly to the sources. Further, with a time delay, the interrupter closes, with the help of which the electrode segments are connected to power sources. Alternately, in the sequence determined by the frequency generator, the circuits of the corresponding segments are switched, ensuring the flow of current through them. The choice of the switching frequency for each of the segments excludes both the concentration of currents near any edge of the firing surface of the electrodes and leakage to the adjacent electrode, which prevents the formation of a current layer on the electrode walls.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет расширить диапазон рабочих характеристик устройства и обеспечить однородность потока при его ускорении, что весьма важно при использовании устройства в схеме аэродинамической трубы в качестве ускорителя. Thus, the proposed device allows you to expand the range of operating characteristics of the device and to ensure the uniformity of the flow during its acceleration, which is very important when using the device in the wind tunnel scheme as an accelerator.

Литература. Literature.

1. Tempelmeyer K. E., Windmuller A.K., Rittenhouse L.E. Development of steady-flow J x B accelerator for wind tunnel application.-ARS heater and MGD accelerators for aerodinamic purposes. Supplement to AGAR Dograph N 84, 1964, p. 54-126. 1. Tempelmeyer K. E., Windmuller A.K., Rittenhouse L.E. Development of steady-flow J x B accelerator for wind tunnel application.-ARS heater and MGD accelerators for aerodinamic purposes. Supplement to AGAR Dograph N 84, 1964, p. 54-126.

2. Labazkin A.P., Sherbakov G.I., Experimental Inverstigation of Current Sheet in MGD-accelerator Electrode Wall Region. - XI International Conference on Magnetohydrodynamic Electric Power Generation, China, 1992. 2. Labazkin A.P., Sherbakov G.I., Experimental Inverstigation of Current Sheet in MGD-accelerator Electrode Wall Region. - XI International Conference on Magnetohydrodynamic Electric Power Generation, China, 1992.

3. Sherbacov G.I. Investigation of Discharge Peculiarities in Electrode Wall Regions of MGD-Accelerator. 33rd SEAM (Symposium on Engineering Aspects of Magnetohydrodynamics. Tullahoma. USA. 1995. 3. Sherbacov G.I. Investigation of Discharge Peculiarities in Electrode Wall Regions of MGD-Accelerator. 33rd SEAM (Symposium on Engineering Aspects of Magnetohydrodynamics. Tullahoma. USA. 1995.

Claims

1. Magnetodynamic device containing an electromagnet, an MHD channel formed by insulating and sectioned electrode walls, and independent galvanically separated power sources, each connected to its own pair of electrodes located on the cathode and anode walls, characterized in that the electrodes are divided into segments, insulated insulating layers from each other, the first segment of each electrode of the anode wall and the last cathode wall are connected directly to the power source, and the rest are each through a switch, whose output is connected to the corresponding segment electrode, and the inputs of the switches are united and connected to a respective electrode of the circuit breaker, wherein the control input of the switch connected in series through galvanic decoupling unit and a frequency divider is connected to a common controlled frequency generator, controls the operation of switches.

2. The device according to claim 1, characterized in that the segments and the insulating layers of the electrodes are combined in a heat ratio.