RU2387067C1 - Magnetic gas dynamic channel - Google Patents
Magnetic gas dynamic channel Download PDFInfo
- Publication number
- RU2387067C1 RU2387067C1 RU2009114337/09A RU2009114337A RU2387067C1 RU 2387067 C1 RU2387067 C1 RU 2387067C1 RU 2009114337/09 A RU2009114337/09 A RU 2009114337/09A RU 2009114337 A RU2009114337 A RU 2009114337A RU 2387067 C1 RU2387067 C1 RU 2387067C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- electrodes
- electrode
- recess
- mhd
- interelectrode
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
Abstract
Description
Устройство относится к технической физике, в частности к технологии организации взаимодействия течений высокотемпературного газа и плазмы с электрическим током, к технологии эксплуатации магнитогазодинамических каналов, как МГД-генераторов, так и МГД-ускорителей, и может быть использовано в электротехнической и авиационно-космической промышленности, а также и в других областях техники.The device relates to technical physics, in particular to the technology for organizing the interaction of high-temperature gas and plasma flows with electric current, to the operation technology of magnetogasdynamic channels, both MHD generators and MHD accelerators, and can be used in the electrical and aerospace industries, as well as in other areas of technology.
Одним из основных недостатков, присущих МГД-устройствам и затрудняющих их использование в технических целях, является разрушение в процессе их работы электродов и особенно межэлектродных изоляторов.One of the main drawbacks inherent in MHD devices and hindering their use for technical purposes is the destruction of electrodes and especially interelectrode insulators during their operation.
Основным физическим механизмом, обуславливающим это разрушение, является возникновение на электродах микродуговых разрядов, являющихся своеобразными токовыми мостами через относительно холодный пограничный слой между электродами и хорошо проводящим ток высокотемпературным ядром потока. Микродуги сносятся потоком к задним кромкам электродов и существуют там в продолжении длительного времени, разрушая как сам электрод, так и особенно прилегающую к электроду область межэлектродного изолятора.The main physical mechanism responsible for this destruction is the appearance of microarc discharges on the electrodes, which are peculiar current bridges through the relatively cold boundary layer between the electrodes and the high-temperature flow core that conducts current well. Microarcs are carried by the flow to the trailing edges of the electrodes and exist there for a long time, destroying both the electrode itself and the region of the interelectrode insulator especially adjacent to the electrode.
Известен способ организации разряда в каналах МГД-устройств, заключающийся в том, что электроды либо подают высокое напряжение в случае использования МГД-канала в ускорительном варианте, либо на электродах возникает индуцированное напряжение при использовании их в качестве МГД-генераторов здесь u - скорость потока, В - индукция, l - расстояние между противоположно расположенными электродами. При течении высокотемпературного газа у стенок (как на изоляционной, так и на электродной стенке) образуется относительно холодный пограничный слой с температурой у стенки, равной температуре стенки Tw. Поскольку температура стенок Tw и прилегающего слоя газа значительно ниже температуры ядра потока Tст, т.е. Tст>Tw, то соответственно и электропроводность газа в нем также будет значительно ниже. При достижении разности потенциалов между хорошо проводящим ток ядром потока и поверхностью электрода, достаточной для электрического пробоя холодного участка пограничного слоя, происходит его искровой пробой с образованием электрической дуги между электродом и хорошо проводящим электрический ток ядром потока.There is a method of organizing a discharge in the channels of MHD devices, which consists in the fact that the electrodes either supply high voltage in the case of using the MHD channel in the accelerator version, or an induced voltage arises on the electrodes when used as MHD generators here u is the flow velocity, B is the induction, l is the distance between the opposite electrodes. When high-temperature gas flows near the walls (both on the insulating and on the electrode wall), a relatively cold boundary layer is formed with a wall temperature equal to the wall temperature T w . Since the temperature of the walls T w and the adjacent gas layer is much lower than the temperature of the core of the flow T st , i.e. T article > T w , then, respectively, the electrical conductivity of the gas in it will also be significantly lower. When the potential difference between the well-conducting current core of the stream and the electrode surface, sufficient for electrical breakdown of a cold portion of the boundary layer, is reached, it breaks down with the formation of an electric arc between the electrode and the well-conducting electric current flow core.
Вследствие малых размеров (порядка величины пограничного слоя) такой электрический разряд получил название микродуги.Due to its small size (of the order of magnitude of the boundary layer), such an electric discharge is called a microarc.
На микродугу воздействуют две силы: газодинамические, смещающие ее вниз по потоку и электродинамические, направление которых зависит от соотношения вектора полярности электрода и вектора магнитной индукции. Так, например, в режиме МГД-генератора на катоде микродуги смещаются под действием электродинамических сил к нижнему концу по потоку электрода, а у анода к - верхнему. В режиме МГД-ускорителя наоборот микродуги смещаются у анода к нижнему концу, а у катода - к верхнему его концу по потоку. В первом и втором случае соответственно у катода и у анода действие газодинамических и электродинамических сил направлено в одну сторону. Микродуга останавливается на стыке (кромке) электрод-изолятор и разрушает последний. Обычно ток в микродуге составляет величину 5-10 А. Если ток через электроды больше указанной величины, то на электродах возникает соответствующее току большее число микродуг разряда. Подробное описание процесса возникновения микродугового разряда в МГД-канале приведено в работе В.И.Кавбасюка, Н.М.Баранова, А.Д.Исэрова и др. «Возникновение микродуг и электрические флюктуации в МГД-канале» ТВТ, 1977, вып.6, стр.1294.Two forces act on a microarc: gas-dynamic, displacing it downstream and electro-dynamic, the direction of which depends on the ratio of the electrode polarity vector and the magnetic induction vector. So, for example, in the MHD generator mode at the cathode, the microarcs are displaced under the action of electrodynamic forces to the lower end along the electrode flow, and to the upper end at the anode. In the MHD accelerator mode, on the contrary, microarcs are shifted at the anode to the lower end, and at the cathode, to its upper end in the flow. In the first and second cases, respectively, at the cathode and at the anode, the action of gas-dynamic and electrodynamic forces is directed in one direction. The microarc stops at the junction (edge) of the electrode-insulator and destroys the latter. Typically, the current in a microarc is 5-10 A. If the current through the electrodes is greater than the specified value, then a greater number of discharge microarcs corresponding to the current appear on the electrodes. A detailed description of the process of the occurrence of a microarc discharge in the MHD channel is given in the work of V.I. Kavbasyuk, N.M. Baranov, A.D. Iserov, etc. 6, p. 1294.
Известны различные способы и варианты конструкций для предотвращения разрушения МГД-канала микродугами. Так, в заявке на патент RU 97117707, МПК6 Н02К 44/08, 1997 г. предложено выполнить канал линейного магнитогидродинамического генератора с электродными стенками в виде полых тел вращения, причем внешние их поверхности являются огневыми, оси вращения расположены в плоскости симметрии канала, а сами электроды приводят во вращение вокруг указанной оси.There are various methods and design options to prevent the destruction of the MHD channel by micro-arcs. So, in patent application RU 97117707, IPC 6 Н02К 44/08, 1997, it was proposed to make a channel of a linear magnetohydrodynamic generator with electrode walls in the form of hollow bodies of revolution, their outer surfaces being fire, the axis of rotation are located in the plane of symmetry of the channel, and the electrodes themselves are rotated around a specified axis.
Недостатком такого устройства является необходимость механизма, которым надо приводить в движение электродные стенки, наличие зазоров между стенками, что приводит к их засорению присадкой щелочных элементов, а также продуктами эрозии электродов.The disadvantage of this device is the need for a mechanism by which the electrode walls must be driven, the presence of gaps between the walls, which leads to their clogging with an alkaline additive, as well as products of electrode erosion.
Другим решением, направленным на увеличение срока службы электродов, является прерывание тока между электродами при образовании микродуг (см. авторское свидетельство SU 1414278A, МПК Н02К 44/08, 1984 г.).Another solution aimed at increasing the service life of the electrodes is to interrupt the current between the electrodes during microarc formation (see copyright certificate SU 1414278A, IPC Н02К 44/08, 1984).
Прерывание тока при возникновении микродуги приводит к прерыванию силового воздействия на поток силы Лоренца, что в случае МГД-генератора приведет к возникновению его пульсационного нестационарного режима, значительно ухудшающего его характеристики, а в случае использования МГД-канала для ускорения потока газа просто неприемлемо.Interruption of the current during the occurrence of a microarc leads to an interruption of the force acting on the Lorentz force flux, which in the case of the MHD generator will lead to the appearance of its pulsating non-stationary regime, which significantly worsens its characteristics, and if the MHD channel is used to accelerate the gas flow
В патенте RU 2111601, МПК Н02К 44/08, 1996 г.«МГД-устройство» каждый электрод разбит на сегменты, при этом один из сегментов анода соединен с источником питания напрямую, а остальные через прерыватель, причем первый сегмент анода по потоку и последний сегмент по потоку катода соединены непосредственно с нагрузкой или источниками питания, входы остальных сегментов электродов - через коммутатор с прерывателем частоты. Последний должен быть подключен к генератору регулируемой частоты, управляющему работой коммутатора.In the patent RU 2111601, IPC Н02К 44/08, 1996, “MHD device”, each electrode is divided into segments, with one of the segments of the anode connected directly to the power source, and the rest through a chopper, with the first segment of the anode downstream and the last the cathode flow segment is connected directly to the load or power sources, the inputs of the remaining electrode segments are connected through a switch with a frequency chopper. The latter should be connected to an adjustable frequency generator that controls the operation of the switch.
Этому изобретению присущи те же недостатки, как и выше приведенному. Наличие коммутаторов, соединенных с управляющим генератором регулируемой частоты, также приведет к появлению пульсационного режима, затрудняющего работу и съем электрической энергии с электродов при использовании МГД-канала в режиме генератора и неприемлемо при использовании его в режиме МГД-ускорителя, особенно при применении его в качестве элемента гиперзвуковой аэродинамической трубы.This invention has the same disadvantages as above. The presence of switches connected to a controlled frequency control generator will also lead to the appearance of a pulsating mode that impedes the operation and removal of electric energy from the electrodes when using the MHD channel in the generator mode and is unacceptable when using it in the MHD accelerator mode, especially when used as element of a hypersonic wind tunnel.
В авторском свидетельстве SU 1376898, МПК Н02К 44/10, 1985 г. предложена конструкция комбинированного электрода МГД-генератора в виде охлаждаемого металлического каркаса с ребрами, выполненными из теплопроводного изоляционного материала, причем так, что ребра образуют ячейку, в которой расположен токопроводящий изоляционный материал. В каркасе электрода выполнены каналы водяного охлаждения. В данном изобретении поставлена задача путем повышения температуры поверхности электрода уменьшить интенсивность его эрозии за счет снижения величины тока микродуги.In the copyright certificate SU 1376898, IPC Н02К 44/10, 1985, the design of the combined electrode of the MHD generator in the form of a cooled metal frame with fins made of heat-conducting insulating material is proposed, so that the fins form a cell in which the conductive insulating material is located . In the frame of the electrode, water cooling channels are made. In this invention, the objective is to increase the surface temperature of the electrode to reduce the intensity of its erosion by reducing the magnitude of the current microarc.
Однако повышение температуры поверхности электрода и использование высокопроводящего керамического материала не решает задачу исключения эрозии стыка электрод-изолятор.However, increasing the surface temperature of the electrode and the use of a highly conductive ceramic material does not solve the problem of eliminating erosion of the electrode-insulator interface.
Наиболее близко к заявленному по своей технической сущности и достигаемому результату является конструкция канала МГД-устройства, предложенная в авторском свидетельстве SU 1741589, МПК Н02К 44/08, 1990 г.The closest to the claimed in its technical essence and the achieved result is the channel design of the MHD device, proposed in the copyright certificate SU 1741589, IPC Н02К 44/08, 1990
МГД-канал содержит электродные стенки, выполненные из электродов и межэлектродных изоляторов, боковые стенки, выполненные из электроизоляционного материала. Зацепление между электродами и межэлектродными изоляторами выполнено в виде паза в изоляторе и соответствующего выступа в электроде.MHD channel contains electrode walls made of electrodes and interelectrode insulators, side walls made of electrical insulating material. The engagement between the electrodes and interelectrode insulators is made in the form of a groove in the insulator and a corresponding protrusion in the electrode.
Недостатком данной конструкции является незащищенность межэлектродного изолятора от разрушения его микродугой.The disadvantage of this design is the insecurity of the interelectrode insulator from destruction by its microarc.
Задачей изобретения является повышение износоустойчивости МГД-канала, увеличение его срока службы и реализации возможности работы при повышенных тепловых нагрузках.The objective of the invention is to increase the wear resistance of the MHD channel, increase its service life and realize the possibility of working at high thermal loads.
Техническим результатом изобретения является повышение износоустойчивости магнитогазодинамических (МГД) каналов, как МГД-генераторов, так и МГД-ускорителей, а также и других электротехнических устройств, в которых имеет место взаимодействие потока высокотемпературного газа с электрическим током посредством электродных систем.The technical result of the invention is to increase the wear resistance of magnetogasdynamic (MHD) channels of both MHD generators and MHD accelerators, as well as other electrical devices, in which the high-temperature gas flow interacts with electric current through electrode systems.
Решение задачи и указанный технический результат достигаются тем, что в заявленном магнитогазодинамическом канале, состоящем из изоляционных и электродных стенок, включающих в себя электроды и межэлектродные изоляторы, межэлектродные изоляторы выполнены в виде выемок между рядом расположенными электродами с шириной L, большей той, при которой происходит пробой газового промежутка при газодинамических параметрах пограничного h слоя, и глубиной h, находящейся в соотношении с шириной выемки причем дно выемки выполнено из жаростойкого изоляционного материала, а поверхность дна выемки выполнена цилиндрической так, что стенки электрода являются касательными к ней.The solution of the problem and the indicated technical result are achieved by the fact that in the claimed magnetogasdynamic channel, consisting of insulating and electrode walls, including electrodes and interelectrode insulators, interelectrode insulators are made in the form of grooves between adjacent electrodes with a width L greater than the one at which breakdown of the gas gap with gas-dynamic parameters of the boundary layer h, and depth h, which is in relation to the width of the recess moreover, the bottom of the recess is made of heat-resistant insulating material, and the surface of the bottom of the recess is made cylindrical so that the walls of the electrode are tangent to it.
На фиг.1 представлено поперечное сечение МГД-канала.Figure 1 shows the cross section of the MHD channel.
На фиг.2 представлена конструкция электродной стенки МГД-каналаFigure 2 presents the design of the electrode wall of the MHD channel
На фиг.3 показан фрагмент электродной стенки, состоящей из двух электродов и межэлектродного изолятора.Figure 3 shows a fragment of an electrode wall consisting of two electrodes and an interelectrode insulator.
На фиг.4 приведено распределение статического давления по длине МГД-канала при испытаниях его в холостом режиме, при использовании в качестве межэлектродных изоляторов выемок (каверн).Figure 4 shows the distribution of static pressure along the length of the MHD channel when testing it in idle mode, when using recesses (caverns) as interelectrode insulators.
На фиг.5 приведено распределение статического давления по длине МГД-канала в рабочем режиме при использовании в качестве межэлектродных изоляторов выемок (каверн).Figure 5 shows the distribution of static pressure along the length of the MHD channel in the operating mode when recesses (cavities) are used as interelectrode insulators.
На фиг.6 приведено распределение полного давления за ударной волной р'0 поперек выходного сечения сопла соответственно при работе МГД-канала в холостом режиме и в режиме ускорения.Figure 6 shows the distribution of the total pressure behind the shock wave p ' 0 across the output section of the nozzle, respectively, when the MHD channel is idle and in acceleration mode.
На фигурах 4-6 приведены для сравнения аналогичные результаты, полученные при испытаниях МГД-канала с гладкими стенками (прототип).In figures 4-6 are shown for comparison, similar results obtained when testing the MHD channel with smooth walls (prototype).
МГД-канал (фиг.1)содержит две электродные 1 и две изоляционные 2 стенки, расположеные напротив друг друга, к которым примыкают полюса электромагнита 3. Электродная стенка (фиг.2) содержит электроизоляционную колодку 4 с укрепленными на ней медными электродами 5, между которыми расположены межэлектродные изоляторы 6. Межэлектродные изоляторы 6 выполнены в виде выемок 7 (фиг.3) между рядом расположенными электродами с шириной L, большей той, при которой происходит пробой газового промежутка при газодинамических параметрах пограничного слоя, и глубиной h, находящейся в соотношении с шириной выемки причем поверхность дна выемки выполнена из жаростойкого изоляционного материала в виде цилиндра или цилиндрической поверхности таким образом, что стенки электрода являются касательными к его поверхности. Радиус цилиндрической выемки равен L/2.MHD channel (figure 1) contains two
Устройство работает следующим образом. Под действием потока в выемке 7, расположенной между электродами 5, формируется вихревое движение газа таким образом, что скорости пограничного слоя и вихревого движения на внешней стороне выемки практически совпадают. Поскольку дно выемки выполнено в виде цилиндрической поверхности, стенки которой касательны к стенкам электродов 5, то в этом случае при вихревом движении в выемке 7 не возникает дополнительных вихрей, которые бы вносили дополнительное аэродинамическое сопротивление и увеличивали бы тем самым разность скоростей вращающейся области газа и пограничного слоя. Область вихревого движения газа с противоположных сторон ограничена изоляционными стенками 2. Поскольку на оси вихря статическое давление существенно меньше, чем на его границах, то на изоляционных стенках 2 возникает движение газа от внешней области вихря к его оси. Это широко известное в технике явление носит название вторичного течения газа. Вторичные течения формируют две струи газа, текущие по осям вихря от изоляционных стенок 2 и направленные навстречу друг другу. При их взаимодействии формируются обратные течения уже по внешней поверхности вихря от места их взаимодействия, расположенного практически по центру межэлектродного изолятора 6 обратно к стенкам. Под действием этого потока микродуги, возникшие на электродах 5, будут смещаться к стенкам, попадать в холодный пристеночный пограничный слой и там гаснуть. В результате воздействия электрического разряда дуги будут возникать вновь и вновь, сноситься к стенкам и т.д. Вследствие их перемещения поверхность электрода 5 не будет разрушаться так интенсивно, как если бы дуги стояли на одном месте.The device operates as follows. Under the action of the flow in the recess 7 located between the
Ширина и глубина выемки определяются величиной напряжения Холла между электродами МГД-канала. Расстояние между краями выемки (каверны), образованными соседними электродами, должно быть больше расстояния, при котором под действием потенциала Холла происходит электрический пробой данного газового промежутка. Величина Холлового потенциала рассчитывается по известным значениям напряженности магнитного поля, приложенного к МГД-каналу, и определяется величиной параметра Холла β где ω - циклотронная частота, τ - среднее время между двумя электронными столкновениям, nе - число заряженных частиц, Се - их средняя скорость, mе -масса электрона, Q - эффективное сечение передачи импульса при столкновениях. Для величины напряжения потенциал Холла EH между соседними электродами имеем:The width and depth of the excavation are determined by the magnitude of the Hall voltage between the electrodes of the MHD channel. The distance between the edges of the recess (cavity) formed by adjacent electrodes should be greater than the distance at which, under the action of the Hall potential, an electrical breakdown of this gas gap occurs. The value of the Hall potential is calculated from the known values of the magnetic field applied to the MHD channel and is determined by the value of the Hall parameter β where ω is the cyclotron frequency, τ is the average time between two electron collisions, n e is the number of charged particles, C e is their average speed, m e is the electron mass, Q is the effective momentum transfer cross section for collisions. For the voltage value, the Hall potential E H between adjacent electrodes has:
где σ - проводимость газа в окрестности выемки (каверны), β - соответственно параметр Холла в том же месте, - вектор плотности тока в пространстве между электродами, В - магнитная индукция, L - расстояние между соседними электродами. Используя известные методы, описанные в литературе, см. например Y.K.Messerle "Magnetohydrodynamic Electrical Power Generation" John Wiley and Sons Ltd Unesco Energy Engineering series 1995; R.J. Rosa. Magnetohydrodynamic Energy conversion Hemisphere Publishing Corporation Washington 1987, можно рассчитать значение ЕH применительно к конкретному МГД-каналу или электротехническому устройству.where σ is the gas conductivity in the vicinity of the recess (cavity), β is the Hall parameter in the same place, respectively is the current density vector in the space between the electrodes, B is the magnetic induction, L is the distance between adjacent electrodes. Using well-known methods described in the literature, see for example YKMesserle "Magnetohydrodynamic Electrical Power Generation" John Wiley and Sons Ltd Unesco Energy Engineering series 1995; RJ Rosa. Magnetohydrodynamic Energy conversion Hemisphere Publishing Corporation Washington 1987, the value of E H can be calculated for a particular MHD channel or electrical device.
Отличительными признаками заявленного изобретения являются:Distinctive features of the claimed invention are:
- выполнение межэлектродного изолятора в виде выемки (каверны) с нижней стенкой (дном) из изолятора;- implementation of the interelectrode insulator in the form of a recess (cavity) with the bottom wall (bottom) of the insulator;
- придание нижней стенке (дну) формы цилиндрической поверхности, вписываемой в выемку без зазора;- giving the bottom wall (bottom) the shape of a cylindrical surface that fits into the recess without a gap;
- выбор расстояния между электродами исходя из условий отсутствия пробоя газового промежутка под действием потенциала Холла;- the choice of the distance between the electrodes based on the conditions of the absence of breakdown of the gas gap under the action of the Hall potential;
- выбор соотношения между глубиной выемки и ее поперечным размером в соотношении где h - глубина выемки, L - ее ширина.- the choice of the ratio between the depth of the excavation and its transverse size in the ratio where h is the depth of the recess, L is its width.
Выполнение межэлектродного изолятора в виде выемки (каверны) позволит избежать контакта микродуги на конце электрода с изолятором с одной стороны, а с другой - расположение изолятора на дне выемки в области, где величины тепловых потоков значительно меньше, что позволит увеличить ресурс МГД-канала, поскольку он в определяющей степени зависит от состояния электрических изоляционных элементов конструкции (изоляторов). Возмущения в поток, вносимые выемкой (каверной) на поверхности МГД-устройства, в значительной степени определяются выбором соотношений между характерными геометрическими параметрами выемки: ее шириной, глубиной и соотношением этих величин с характерным размером пограничного слоя на поверхности в месте расположения выемки. Минимальные возмущения потоку имеют место, если геометрические ее размеры выбраны таким образом, что реализуется тип течения, получивший название «открытая выемка», при этом отношение толщины пограничного слоя 5 к глубине выемки h должно быть δ/h<1. В этом случае пограничный слой на передней кромке выемки бывает оторванным и формирует, подобно струе, свободный вязкий слой смешения, обычно тонкий. В самой выемке имеет место циркуляционное течение вокруг оси выемки. Для того чтобы исключить образование в углах выемки, представляющих собой стык электрод-изолятор дополнительных вихревых систем, предлагается выполнить дно выемки в виде цилиндрической поверхности таким образом, чтобы электродные стенки были бы к ней касательными. В этом случае потери полного давления в вихре, индуцированном в выемке внешним потоком, будут минимальными. Из-за наличия боковых изоляционных стенок МГД-канала, ограничивающих с противоположных сторон выемку (каверну), в ней возникают вторичные вихревые течения, направленные по оси выемки от боковых стенок к ее центру навстречу друг другу. При столкновении их в центре выемки вдоль кромки электродов возникают обратные течения, направленные от центра к изоляционным стенкам, тем самым смещающие микродуги с места их расположения к изоляционным стенкам в область холодного пограничного слоя, где они должны погаснуть.The implementation of the interelectrode insulator in the form of a recess (cavity) will avoid contact of the microarc at the end of the electrode with the insulator on the one hand, and on the other hand, the location of the insulator at the bottom of the recess in the region where the heat flux is much smaller, which will increase the MHD channel resource, since it to a certain extent depends on the state of electrical insulating structural elements (insulators). Perturbations in the flow introduced by a recess (cover) on the surface of the MHD device are largely determined by the choice of relations between the characteristic geometrical parameters of the recess: its width, depth, and the ratio of these values to the characteristic size of the boundary layer on the surface at the location of the recess. Minimum perturbations of the flow take place if its geometrical dimensions are chosen in such a way that the type of flow, called the “open recess”, is realized, while the ratio of the thickness of the
Выбор расстояния между электродами, обеспечивающий отсутствие электрического пробоя под действием потенциала Холла, был рассмотрен выше.The choice of the distance between the electrodes, ensuring the absence of electrical breakdown under the action of the Hall potential, was considered above.
Выбор соотношения между глубиной выемки и ее поперечным размером был обусловлен анализом величины тепловых потоков к электродам, к стенке выемки по дну выемки. Минимальные тепловые потоки имеют место в случае «открытой выемки». В точке присоединения оторвавшегося потока на заднем электроде тепловой поток в 1,2-1,4 раза больше теплового потока к гладкой стенке. Поскольку электрод является металлическим с хорошей теплопроводностью, то такое возрастание теплового потока не наносит вреда конструкции.The choice of the ratio between the depth of the recess and its transverse size was due to the analysis of the magnitude of the heat fluxes to the electrodes, to the wall of the recess along the bottom of the recess. Minimum heat fluxes occur in the case of "open excavation". At the point of attachment of the detached flow at the rear electrode, the heat flux is 1.2-1.4 times greater than the heat flux to the smooth wall. Since the electrode is metal with good thermal conductivity, such an increase in heat flux does not harm the structure.
Ниже приводится описание экспериментального МГД-канала и результаты его испытаний, выполненные в соответствии с заявленным изобретением.The following is a description of the experimental MHD channel and the results of its tests, made in accordance with the claimed invention.
В новой конструкции электродной стенки часть межэлектродного изолятора, непосредственно примыкающего к электродам, заменена выемкой (каверной), ширина которой выбрана из условия отсутствия электрического пробоя между электродами по газовому промежутку. Величина пробойного напряжения была рассчитана исходя из статического давления в потоке рст, температуры газа в пограничном слое около стенки Тст, наличия в нем присадки легко ионизируемых элементов и затрудняющим пробой магнитным полем В=2,5 Т. Величина Холловского потенциала была определена по известным соотношениям для МГД-канала при известной величине магнитной индукции В. Глубина каверны выбирается близкой к ее ширине так, как в этом случае реализуется одновихревая система течения в ней. В данном примере ширина каверны была выбрана равной 2,5 мм и такая же глубина. В зависимости от особенностей потока возможны и другие решения. Ниже приводятся результаты экспериментальной проверки работы МГД-канала с межэлектродным изолятором, выполненным в виде выемки, дно которой выполнено из электрического изолятора и сопоставлены с результатами испытаний гладкого канала на тех же условиях. Эксперименты по исследованию влияния межэлектродных выемок на газодинамические и электрические характеристики МГД-каналов проводились с каналом длиной 555 мм с 60-ю парами электродов, поперечным сечением входа FBX=15×l5 мм и сечением выхода 15×20 мм. К выходу из МГД-канала пристыковывались сопла с выходным сечением Fвыx=25×25 мм и 80×80 мм. Измерялось распределение статического давления по длине МГД-канала, полное давление газа за ударной волной на выходе из МГД-канала и выходе из сопла. В качестве источника проводящего газа применялся электродуговой нагреватель с параметрами торможения T0=3500 К, р0=2 ата. Число М на входе в канал было равно М=2. Расход рабочего газа - воздуха составлял 15 г/с. В поток вводилась присадка щелочных элементов в виде эвтектики в количестве 1,5% от массового расхода газа. Величина магнитного поля составляла 2,47 Тесла. Эксперименты проводились как в режиме холостого хода, так и в режиме МГД-ускорения газа. Согласно этим испытаниям, проведенным на модельном канале с межэлектродными выемками, отличие в распределении статического давления по длине МГД-канала при испытании его на холостом режиме, от соответствующего распределения давления по длине МГД-канала с гладкими стенками на том же режиме составляет не более 8%, например, смотри фиг.5.In the new design of the electrode wall, a part of the interelectrode insulator directly adjacent to the electrodes is replaced by a recess (cavity), the width of which is selected from the condition that there is no electrical breakdown between the electrodes in the gas gap. The value of the breakdown voltage was calculated based on the static pressure in the flow p st , the gas temperature in the boundary layer near the wall T st , the presence of additives of easily ionizable elements in it and the magnetic field hindering breakdown B = 2.5 T. The value of the Hall potential was determined from the known relations for the MHD channel with a known magnitude of the magnetic induction B. The depth of the cavity is chosen close to its width, as in this case a single-vortex flow system is realized in it. In this example, the cavity width was chosen equal to 2.5 mm and the same depth. Other solutions are possible depending on the flow characteristics. Below are the results of an experimental check of the operation of the MHD channel with an interelectrode insulator made in the form of a recess, the bottom of which is made of an electrical insulator and compared with the results of tests of a smooth channel under the same conditions. Experiments to study the effect of interelectrode grooves on the gas-dynamic and electrical characteristics of MHD channels were carried out with a channel 555 mm long with 60 pairs of electrodes, an input cross section F BX = 15 × 5 mm and an exit cross section 15 × 20 mm. At the exit from the MHD channel, nozzles with an exit cross section F exx = 25 × 25 mm and 80 × 80 mm were docked. The distribution of static pressure along the length of the MHD channel, the total gas pressure behind the shock wave at the exit from the MHD channel and the exit from the nozzle, were measured. An electric arc heater with braking parameters T 0 = 3500 K, p 0 = 2 ata was used as a source of conductive gas. The number M at the entrance to the channel was equal to M = 2. The flow rate of working gas - air was 15 g / s. An alkali element additive was introduced into the stream in the form of a eutectic in the amount of 1.5% of the gas mass flow rate. The magnitude of the magnetic field was 2.47 Tesla. The experiments were carried out both in idle mode and in the MHD gas acceleration mode. According to these tests conducted on a model channel with interelectrode recesses, the difference in the distribution of static pressure along the length of the MHD channel when testing it at idle mode, from the corresponding pressure distribution along the length of the MHD channel with smooth walls in the same mode is not more than 8% for example, see figure 5.
Также незначительным оказалось отличие в распределении статического давления по длине МГД-канала при работе его в режиме ускорения потока, например, смотри фиг.6. В режиме МГД-ускорения потока полное давление за ударной волной для канала с межэлектродными изоляторами было меньше 9% соответствующего для гладкого канала (см. фиг.4). Сопоставление пульсационных характеристик электрического разряда между электродами МГД-канала с гладкими стенками и с выемками вместо изолятора показало практически их полную идентичность. Осмотр состояния межэлектродных изоляторов и канала в целом показал, что после проведения 15 испытаний каких-либо повреждений его конструкции не отмечено. В то же время при испытаниях канала с гладкими межэлектродными изоляторами их разрушение имело место после 5-7 пусков.Also insignificant was the difference in the distribution of static pressure along the length of the MHD channel when operating in the flow acceleration mode, for example, see Fig. 6. In the MHD flow acceleration mode, the total pressure behind the shock wave for a channel with interelectrode insulators was less than 9% corresponding to a smooth channel (see Fig. 4). A comparison of the pulsation characteristics of the electric discharge between the electrodes of the MHD channel with smooth walls and with recesses instead of the insulator showed their almost complete identity. Inspection of the state of interelectrode insulators and the channel as a whole showed that after 15 tests no damage to its structure was noted. At the same time, when testing a channel with smooth interelectrode insulators, their destruction took place after 5-7 starts.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2009114337/09A RU2387067C1 (en) | 2009-04-16 | 2009-04-16 | Magnetic gas dynamic channel |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2009114337/09A RU2387067C1 (en) | 2009-04-16 | 2009-04-16 | Magnetic gas dynamic channel |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2387067C1 true RU2387067C1 (en) | 2010-04-20 |
Family
ID=46275350
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2009114337/09A RU2387067C1 (en) | 2009-04-16 | 2009-04-16 | Magnetic gas dynamic channel |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2387067C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN118017795A (en) * | 2024-04-08 | 2024-05-10 | 浙江大学 | Induction electromagnetic pump |
-
2009
- 2009-04-16 RU RU2009114337/09A patent/RU2387067C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN118017795A (en) * | 2024-04-08 | 2024-05-10 | 浙江大学 | Induction electromagnetic pump |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Macheret et al. | Magnetohydrodynamic power extraction from cold hypersonic airflows with external ionizers | |
WO2008136697A1 (en) | Method and apparatus for flow control of a gas | |
Moreau et al. | Surface dielectric barrier discharge plasma actuators | |
RU2387067C1 (en) | Magnetic gas dynamic channel | |
JP5515099B2 (en) | Ion wind generator and gas pump | |
US20080175720A1 (en) | Contoured electrodes for an electrostatic gas pump | |
Shneider et al. | Comparative analysis of MHD and plasma methods of scramjet inlet control | |
RU143137U1 (en) | CONTROLLED VACUUM DISCHARGE | |
US3274408A (en) | High temperature anisotropic nonconsumable electrode | |
Macheret | Physics of magnetically accelerated nonequilibrium surface discharges in high-speed flow | |
Dai et al. | An experimental study of plasma aerodynamic actuation on a round jet in cross flow | |
JP4772759B2 (en) | Diffuser | |
Suekane et al. | The effects of boundary layer phenomena on the performance of disk CCMHD generator | |
US3854061A (en) | Magnetohydrodynamic generator arc resistant electrodes | |
CN103835905B (en) | The variable section channel of multistage cusped magnetic field plasma pusher | |
JP2011231928A (en) | Diffuser | |
US3178596A (en) | Anisotropic wall structure | |
US3161788A (en) | Wall structure for an mhd generator | |
US3387150A (en) | Duct for magnetohydrodynamic devices | |
RU2701154C1 (en) | Conduction mgh pump and pump system | |
JP5766739B2 (en) | Diffuser | |
US3811057A (en) | Nonequilibrium magnetohydrodynamic device | |
Zhao et al. | Model and simulation investigation of the whole process of high-current vacuum arc burning | |
Chang et al. | Electrohydrodynamic gas flow regime map in a wire-plate electrostatic precipitator | |
Seo et al. | Numerical design study on a high-powered segmented-type arc plasma torch for a high-enthalpy supersonic plasma wind tunnel |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20210417 |